Markt- und Technologiestudie Leistungselektronik ... - Arthur D. Little
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<strong>Markt</strong>- <strong>und</strong> <strong>Technologiestudie</strong><br />

<strong>Leistungselektronik</strong> Automotive 2015<br />

Ergebnisse<br />

September 2005

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

1

Studieninhalt 1<br />

Die Studie befasst sich mit dem zukünftigen Einsatz von <strong>Leistungselektronik</strong><br />

in der Automobiltechnik<br />

Alternative Antriebe<br />

� Hybridantrieb<br />

� Brennstoffzellenantrieb<br />

Motor&<br />

Nebenaggregate<br />

� Ansteuerung<br />

Pumpen<br />

� Ansteuerung Lüfter<br />

� Abgasturbolader<br />

� Vollvariables<br />

Schaltsaugrohr<br />

� Ventilsteuerung<br />

Komfort<br />

� Sitzsysteme<br />

� Fahrzeugklimatisierung<br />

Fahrdynamik<br />

� Aktivlenkung<br />

� Fahrwerksregelung<br />

� Fahrerassistenzsysteme<br />

Bordnetze<br />

� Bussysteme<br />

� Architektur<br />

Energiemanagement<br />

� Energiespeichertechnologie<br />

� Batteriemanagement<br />

� Generatormanagement<br />

� Last- <strong>und</strong><br />

Ruhestrommanagement<br />

Getriebe<br />

� Autom. Schaltgetriebe<br />

� Doppelkupplungsgetriebe<br />

2

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

3

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong> 2<br />

Bis 2015 wird die <strong>Leistungselektronik</strong> eine bedeutende Rolle in sämtlichen<br />

Industriesektoren spielen<br />

Entwicklung des Absatzmarktes für <strong>Leistungselektronik</strong><br />

KOMPONENTENEBENE<br />

2006 wird das Gesamtmarktvolumen<br />

für Kernkomponenten der <strong>Leistungselektronik</strong><br />

auf 17 Mrd. $ ansteigen<br />

Quelle: tms Institut für technik & markt strategien<br />

SYSTEMEBENE<br />

Leistungselektronische Subsysteme,<br />

werden 2006 ein<br />

<strong>Markt</strong>volumen<br />

von 183 Mrd. $ erreichen<br />

PRODUKTEBENE<br />

Produkte, die leistungselektronischenSubsysteme<br />

enthalten, werden<br />

2006 einen Umsatz von<br />

3 Billionen $ erzielen<br />

4

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong> 2<br />

Mit einer jährlichen Wachstumsrate von 15,5 % ist der Automotive-Sektor der<br />

am stärksten wachsende <strong>Markt</strong><br />

Wachstumsrate <strong>Leistungselektronik</strong><br />

im Automobilsektor<br />

Kommunikation<br />

17%<br />

15.5<br />

Computer &<br />

Office<br />

26%<br />

8.1<br />

Automotive Industrie &<br />

Energie<br />

Konsumelektronik<br />

18%<br />

Automotive<br />

13%<br />

10.2<br />

Konsumelektronik<br />

Industrie &<br />

Energie<br />

26%<br />

12.2<br />

Kommunikation<br />

Quelle: tms Institut für technik & markt strategien<br />

Absatzmärkte von<br />

Kernkomponenten der<br />

<strong>Leistungselektronik</strong><br />

jährliche<br />

Wachstumsraten<br />

10.3<br />

Computer &<br />

Office<br />

Erläuterungen<br />

� Mit 13 % ist der Anteil am Gesamtmarkt für<br />

<strong>Leistungselektronik</strong> eher noch gering, aber mit einer<br />

Wachstumsrate von 15,5 % p.a. ist der Automotive-<br />

Sektor einer der zukunftsträchtigsten Märkte<br />

� Der <strong>Markt</strong> wird nicht durch die Zunahme an<br />

produzierten Kraftfahrzeugen getrieben, sondern<br />

dadurch, dass immer mehr mechanische Systeme<br />

durch mechatronische Systeme ersetzt bzw. die<br />

bestehenden Systeme erweitert werden<br />

� Daher wächst der Wertanteil der Elektroniksysteme<br />

je Fahrzeug von heute 25 % (2.700 $) bis<br />

2010 auf 35 % (4.300 $) an<br />

5

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Komplexe Anforderungen der Automobilindustrie beinflussen die weitere<br />

Entwicklung von leistungselektronischen Systemen<br />

Anforderungen an ein zukünftiges System ergeben sich als Schnittmenge aus<br />

den Bereichen Elektronik / Software / Mechanik / Wärme<br />

� niedrige Kosten<br />

Aufgabe der <strong>Leistungselektronik</strong> im Automobil<br />

Umwandlung <strong>und</strong> Steuerung elektrischer Leistung für eine<br />

Vielzahl von automobile Anwendungen<br />

� hohe Systemzuverlässigkeit<br />

� Betrieb unter extremen<br />

Umgebungsbedingungen<br />

(Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration, EMV)<br />

� höhere Leistungsdichte der Systeme<br />

� zunehmende Miniaturisierung<br />

� Integration zusätzlicher Funktionen<br />

� Intelligente Kühlungs- bzw. Wärmeabfluss-<br />

Konzepte<br />

� Packaging-Problematik<br />

� Einsatz innovativer Fertigungstechnologien<br />

� Verwendung neuer Materialien<br />

(Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC)<br />

2<br />

6

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong> – Einsatz im Kraftfahrzeug 2<br />

Ein Hauptgr<strong>und</strong> für das vermehrte Aufkommen an <strong>Leistungselektronik</strong> ist die<br />

steigende Anzahl an Verbrauchern im Kraftfahrzeug<br />

Steigende Anzahl der elektrischen<br />

Verbraucher im Kfz<br />

Türmodule<br />

Klimaanlage<br />

Motorsteuerung<br />

Infotainment<br />

Beleuchtung<br />

Kombinierte Lenksysteme<br />

Getriebe<br />

ABS/ESP<br />

Dämpfungssysteme<br />

Sensorik<br />

Airbag<br />

Türmodule<br />

Quelle: tms Institut für technik & markt strategien<br />

Erläuterungen<br />

� Das heutige Weltmarktvolumen von ca. 2.65 Mrd. $<br />

für Elektronikkomponenten im Automotive-Bereich<br />

wird 2010 auf 3.83 Mrd. $ ansteigen<br />

� Ein wesentlicher Gr<strong>und</strong> für den rasanten Anstieg ist<br />

die Zunahme an Verbrauchern für Komfort,<br />

Sicherheit <strong>und</strong> Kommunikation im Fahrzeug<br />

� Ein weiteres wichtiges Wachstumssegment<br />

� Stellt der <strong>Markt</strong> der alternativen Antriebe<br />

� dar. <strong>Markt</strong>treiber sind hier vor allem die gesetzlichen<br />

Bestimmungen für die Reduzierung der CO2-<br />

Emmisionswerte<br />

7

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

8

Trends in der Automobilindustrie – Mega-Trends<br />

Fünf Mega-Trends der Automobil-Elektronik werden die Automobil-Industrie<br />

drastisch beeinflussen<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

Entwicklung neuer<br />

Fahrzeugkonzepte<br />

mit regionalem Fokus<br />

Mechatronisierung von<br />

Fahrzeugkomponenten<br />

Elektrifizierung der<br />

riemengetriebenen<br />

Nebenaggegate<br />

Zukünftige innovative Bordnetz-<br />

Architekturen <strong>und</strong> intelligente<br />

Energiemanagement-Konzepte<br />

Zunehmende Etablierung<br />

temporärer Netzwerkorganisationen<br />

während der<br />

Produktentwicklung<br />

� Zukünftige Fahrzeugkonzepte werden verstärkt nach regionalen <strong>Markt</strong>trends <strong>und</strong><br />

K<strong>und</strong>enanforderungen erarbeitet (Localization-Konzepte)<br />

� Sonderausstattungen werden zu Serienausstattung <strong>und</strong> führen zur Reduzierung der<br />

derzeitigen Vielfalt an Modellvarianten<br />

� Hybrid-Konzepte forcieren die Zunahme des <strong>Leistungselektronik</strong>-Anteils im Antriebsstrang<br />

� Einsatz innovativer Technologien <strong>und</strong> Fertigungsprozesse (Hybridtechnologie), sowie der<br />

zunehmende Einsatz von software-basierten Funktionen führt verstärkt zur<br />

Mechatronisierung von Systemkomponenten<br />

� Angleichen der Produkt-Lebenszyklen der Automobilbranche mit dem Zyklus der Elektronik-<br />

Industrie stellt eine Herausforderung für die nächsten 5 Jahre dar<br />

� Ersatz der riemengetriebenen Nebenaggregate (Pumpen, Lüfter, etc.) durch EC-Motorenbasierte<br />

Komponenten für zu Kraftstoffeinsparungspotentialen<br />

� Zunehmender Anteil an <strong>Leistungselektronik</strong>-Komponenten durch vollständige<br />

Elektrifizierung des Antriebsstrangs<br />

� Komplexe Zweikreis-Netze werden zukünftig über intelligentes sofware-basiertes Power<br />

Management gesteuert<br />

� Zukünftiger Einsatz von ca. 5-7 zentralen Body Control Units führt zur Reduzierung der<br />

Anzahl der Steuergeräte trotz weiterer Zunahme von Funktionen<br />

� Zunehmende Dezentralisierung von Intelligenz: Einsatz von intelligenten Sensoren <strong>und</strong><br />

intelligenten Aktuatoren inkl. Signalvorberarbeitung vor Ort<br />

� Aufbau & Steuerung temporärer Wertschöpfungsnetze<br />

� Zusätzliche Schlüsselkompetenzen bei Tier-1 aus den Bereichen Mechatronik, Software,<br />

Systemintegration, Partner-Management & Logistik erforderlich<br />

3<br />

9

Agenda<br />

3<br />

3.1<br />

3.2<br />

3.3<br />

3.4<br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Trends Antriebstechnik<br />

Wertschöpfungsstrukturen<br />

Entwicklungsprozesse in der Mechatronik<br />

Innovationsroadmap <strong>Leistungselektronik</strong><br />

10

Trends in der Automobilindustrie – Trends Antriebstechnik 3.1<br />

Die konventionellen Antriebe werden bis 2030 eine klar dominierende Rolle<br />

bei zukünftigen Power-Train-Konzepten einnehmen<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Entwicklung der Antriebsarten<br />

Future Share of Engines (Passenger Cars)<br />

Market Share (%)<br />

Internal<br />

Combustion<br />

Engine<br />

starter/battery<br />

IDI<br />

1995 2000 2005 2010 2015 2020<br />

Quelle: Siemens VDO<br />

with CAI<br />

+supercharging<br />

Convetional (MPI) +Starter/generator<br />

DIand<br />

VVA<br />

Gasoline<br />

Gasoline and/or VCR<br />

and combinations<br />

w/o CAI<br />

Gasoline/<br />

Diesel Engine<br />

with starter/<br />

with HCCI<br />

generator<br />

+supercharging<br />

+Starter/generator<br />

Diesel DI-Diesel and VVA/<br />

multiple injection<br />

w/o HCCI<br />

Hybrid<br />

Fuel Cell<br />

Fuels<br />

Oil based fuels<br />

� Improved fuels<br />

� Clean fuels<br />

� Designed fuels<br />

Gas based fuels<br />

� CNG<br />

� GTL fuels<br />

Bio-fuels<br />

Hydrogen<br />

Year 2020<br />

Erläuterungen<br />

� Aus der Sichtweise von<br />

europäischen Automobilherstellern<br />

wird der <strong>Markt</strong><br />

bis 2030 mit 83% von den<br />

konventionellen Antriebstechniken<br />

Benzin <strong>und</strong><br />

Diesel beherrscht werden.<br />

� Das verbleibende <strong>Markt</strong>segment<br />

von 17% wird<br />

zwischen den alternativen<br />

Antrieben aufgeteilt.<br />

� Der Hybridantrieb wird mit<br />

15% die <strong>Markt</strong>führerschaft<br />

übernehmen.<br />

Die verbleibenden 2%<br />

werden von Fahrzeugen<br />

mit Brennstoffzellentechnik<br />

abgedeckt werden.<br />

11

Trends in der Automobilindustrie – Trends Antriebstechnik 3.1<br />

Vor allem die umweltpolitischen Rahmenbedingungen treiben derzeit die<br />

Entwicklung von alternativen Antrieben in Europa, USA <strong>und</strong> Japan voran<br />

politische <strong>Markt</strong>treiber in USA<br />

■ Verbesserung der Luftqualität<br />

■ Reduzierung von Ölimporten<br />

■ staatliche Förderung von alternativen<br />

Antrieben in den USA<br />

-> z.B. Steuererleichterung für den Endk<strong>und</strong>en<br />

Politische Rahmenbedingungen<br />

politische <strong>Markt</strong>treiber in Europa:<br />

■ Reduktion des CO2-Ausstoßes<br />

(ab 2006 Flottenverbrauchsreduzierung auf<br />

140 g CO2/km)<br />

*Quelle: Dietrich Naunin Hybrid-, Batterie- <strong>und</strong> Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge<br />

politische <strong>Markt</strong>treiber in Japan:<br />

■ Reduktion des CO2-Ausstoßes<br />

(ab 2009 Verbrauchsreduzierung auf 140g<br />

CO2/km)<br />

■ erhöhtes Individualverkehrsaufkommen in China<br />

■ staatliche Förderung von alternativen Antrieben<br />

-> z.B. Steuererleichterung für den<br />

Endk<strong>und</strong>en<br />

12

Trends in der Automobilindustrie – Trends Antriebstechnik<br />

Die gesetzlichen Regelungen weltweit führen zur drastischen Reduktion der<br />

Emissionswerte<br />

EU<br />

NEFZ<br />

US<br />

EPA<br />

FTP75<br />

US<br />

CARB<br />

FTP75<br />

Japan<br />

10.15mode<br />

NOx<br />

PM<br />

NOx<br />

PM<br />

NOx<br />

PM<br />

NOx<br />

PM<br />

1998<br />

1999<br />

2000<br />

2001<br />

2002<br />

2003<br />

2004<br />

2005<br />

2006<br />

2007<br />

2008<br />

EU2 EU3 EU4 EU5<br />

(Vorschlag)<br />

1,45 (g/mi)<br />

0,9 (g/km)<br />

0,1 (g/km)<br />

0,16 (g/km)<br />

Tier 1 NLEV Tier 2 Phase In Tier 2<br />

1,0 (g/mi)<br />

0,62 (g/km)<br />

0,05 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

1,0 (g/mi)<br />

0,62 (g/km)<br />

0,05 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

Tier 1/LEV LEV 1Phase Out LEV 2<br />

0,88 (g/mi)<br />

0,55 (g/km)<br />

0,14 (g/km)<br />

0,225 (g/km)<br />

0,8 (g/mi)<br />

0,5 (g/km)<br />

0,05 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

0,64 (g/mi)<br />

0,4 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

0,13 (g/km)<br />

0,6 (g/mi)<br />

0,37 (g/km)<br />

0,05 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

0,2 (g/mi)<br />

0,124 (g/km)<br />

0,05 (g/km)<br />

0,08 (g/km)<br />

0,48 (g/mi)<br />

0,3 (g/km)<br />

0,056 (g/km)<br />

0,09 (g/km)<br />

0,4 (g/mi)<br />

0,25 (g/km)<br />

0,025 (g/km)<br />

0,04 (g/km)<br />

0,128 (g/mi)<br />

0,08 (g/km)<br />

0,01 (g/km)<br />

0,016 (g/km)<br />

0,14 (g/mi)<br />

0,087 (g/km)<br />

0,012 (g/km)<br />

0,02 (g/km)<br />

0,05 (g/mi)<br />

0,031 (g/km)<br />

0,006 (g/km)<br />

0,01 (g/km)<br />

0,24 (g/mi)<br />

0,15 (g/km)<br />

0,028 (g/km)<br />

0,045 (g/km)<br />

(Vorschlag)<br />

2009<br />

Erläuterungen<br />

� Strengere gesetzliche<br />

Regelungen führen<br />

weltweit zur Adaption der<br />

Powertrain-Portfolios von<br />

OEMS<br />

� Kalifornien(USA) gilt<br />

weiterhin weltweit als<br />

Vorreiter der Abgasgesetzgebung<br />

� Hybrid-Fahrzeugkonzepte<br />

entwickeln sich derzeit zur<br />

festen Größe im Portfolio<br />

der Antriebskonzepte der<br />

OEMs<br />

3.1<br />

13

Trends in der Automobilindustrie – Trends Antriebstechnik<br />

Hybridkonzepte weisen Potentiale hinsichtlich Emissionswerte <strong>und</strong><br />

Kraftstoffverbrauch auf <strong>und</strong> etablieren sich zukünftig neben konventionellen<br />

Antrieben im Antriebsportfolio der OEMs<br />

Reduktionspotential für Emissionwerte <strong>und</strong> Kraftstoffersparnis<br />

Reduktionspotential<br />

� Electric driving<br />

� Downsizing of the<br />

combustion engine<br />

� Regenerative Braking<br />

� Stop-start function<br />

(Based on NEDC)<br />

CO 2<br />

Reduktion<br />

(%)<br />

25<br />

20<br />

15<br />

10<br />

Quelle: Continental, ADL Research<br />

6%<br />

15%<br />

Optimale Betriebspunkte für Hybrid-Systeme<br />

5<br />

0<br />

Micro Hybrid<br />

5 kW<br />

Kosten/Nutzen-Optimum<br />

für Klein-/Mittleres Segment<br />

Mild Hybrid<br />

15 kW<br />

23%<br />

Full Hybrid<br />

> 30 kW<br />

Performance-Optimum<br />

für SUV/Premium-<br />

Segment<br />

Mild Hybrid (15 kW) Full Hybrid (> 30 kW)<br />

Erläuterungen<br />

� Abhängig vom angewendeten<br />

Hybrid-konzept<br />

ergibt sich ein<br />

unterschiedliches Reduktionspotential<br />

der CO 2 -<br />

Menge<br />

� Full-Hybrid-Systeme<br />

werden vor allem SUV-<br />

Segment an den <strong>Markt</strong><br />

kommen<br />

3.1<br />

� Mild Hybrid-Systeme finden<br />

bei Kleinwagen bzw.<br />

mittleren Fahrzeugsegment<br />

Anwendung<br />

14

Trends in der Automobilindustrie – Trends Antriebstechnik<br />

Der Hybridantrieb ist keine Übergangstechnologie zum Brennstoffzellenantrieb;<br />

bei den OEMs werden weltweit parallele Entwicklungspfade mit<br />

unterschiedlichen Schwerpunkten beschritten<br />

Parallele Entwicklungspfade – Alternative Antriebskonzepte<br />

VM<br />

.. …<br />

.<br />

1<br />

Konventioneller Antrieb<br />

mit Generator/Batterie<br />

3<br />

2<br />

VM<br />

EM<br />

.. …<br />

.<br />

Mild Hybrid<br />

2004<br />

VM<br />

EM<br />

...<br />

…<br />

Full Hybrid<br />

2008<br />

H2<br />

BZ<br />

...<br />

…<br />

EM<br />

Brennstoffzellen-<br />

Hybrid-System<br />

2015<br />

Legende<br />

H2<br />

BZ<br />

Brennstoffzellen-<br />

Direkt-Antrieb<br />

H2 Wasserstoff-Tank<br />

BZ<br />

VM<br />

EM<br />

...<br />

…<br />

Brennstoffzelle<br />

V-Motor<br />

E-Motor<br />

BenzinTank<br />

Energiespeicher<br />

Getriebe<br />

2020<br />

Erläuterungen<br />

� Der Mild-Hybrid zeichnet sich<br />

durch einen zusätzlichen<br />

kleinen E-Motor<br />

� Das Full-Hybrid-Konzept weist<br />

neben einem<br />

leistungsstärkeren E-Motor<br />

auch komplexe<br />

Energiespeicher-Konzepte auf<br />

� Brennstoffzellen-Hybrid-<br />

System: Freiwerden der<br />

elektrischen Energie wird über<br />

Batterie-systeme gespeichert<br />

<strong>und</strong> dem E-Motor bei Bedarf<br />

zur Verfügung gestellt<br />

3.1<br />

� Im Brennstoffzellen-<br />

Direktantrieb reagieren<br />

Wasserstoff <strong>und</strong> Sauerstoff<br />

elektrochemisch zu Wasser -<br />

dabei wird Energie frei, welche<br />

dann direkt auf das Getriebe<br />

wirkt<br />

15

Agenda<br />

3<br />

3.1<br />

3.2<br />

3.3<br />

3.4<br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Trends Antriebstechnik<br />

Wertschöpfungsstrukturen<br />

Entwicklungsprozesse in der Mechatronik<br />

Innovationsroadmap <strong>Leistungselektronik</strong><br />

16

Trends Wertschöpfungsdesign in der Automobilindustrie – Wertschöpfungsstrukturen<br />

3.2<br />

Die Automotive-Industrie unterliegt weiterhin einem massivem Veränderungsprozess<br />

80er<br />

90er<br />

2005+<br />

OEMs OEM-Zulieferer<br />

Zulieferer<br />

� Breite Ähnlichkeit der Geschäftsmodelle<br />

� Vertikale Integration<br />

� Diversifizierung der Produkt-<br />

Segmente<br />

� Globalisierung<br />

� Vertikale Disintegration<br />

� Outsourcing von Non-Core-Aeras<br />

� Business Konsolidierung /<br />

Mergeraktivitäten von OEMs<br />

� Konfrontation<br />

� Klar definierte Grenzen zwischen<br />

OEM <strong>und</strong> Supplier<br />

� Traditionelle Arbeitstrennung<br />

� Von Konfrontation zu Kooperation<br />

� Fokus der Beziehung: Effizienz<br />

� Beginn einer Neudefinition von<br />

Value Chains<br />

� Existenz ähmlicher<br />

Geschäftsmodelle<br />

� Einkaufsvolumen = Power<br />

� Klare Einschränkung der<br />

Möglichkeiten<br />

� Zunahme von Engineering-<br />

Kompetenzen<br />

� VonTeile-/Komponentenhersteller<br />

zu Modul- <strong>und</strong> Systemanbeiter<br />

� Zunehmende IT-Fähigkeiten <strong>und</strong><br />

Qualitätsaspekte gefordert<br />

� Bildung neuer, auch temporärer, Wertschöpfungsnetzwerke<br />

� Verstärkte Konzentration auf Zulieferer, zunehmende<br />

Differenzierung der Geschäftspartner<br />

� Neu-Einsteiger von anderen Industrien (IT: Architekturen &<br />

Software)<br />

� Neue Definition der Rollen von Projektbeteiligten<br />

� Vertikale <strong>und</strong> horizontale Netzwerkstrukturen<br />

� Neue Triebkräfte<br />

17

Trends in der Automobilindustrie – Wertschöpfungsstrukturen Mechatronik 3.2<br />

Bei der Entwicklung innovativer mechatronischer Komponenten werden<br />

Netzwerkstrukturen noch stärker im Vordergr<strong>und</strong> stehen als bisher<br />

2000<br />

2005<br />

2010+<br />

Zunehmender Trend zur Bildung von<br />

Entwicklungsnetzwerken im Bereich Mechatronik<br />

EMS<br />

Dienstleister OEM Zulieferer<br />

Teilelieferant<br />

E-Entwicklungsdienstleister<br />

Software-<br />

Lieferant<br />

Markenzentrierter<br />

OEM<br />

Mechanikspezialist<br />

Integrator<br />

Mechatronik-Netzwerke<br />

Lieferant<br />

mechan.<br />

Komponenten<br />

HW-Elektronik-<br />

Unternehmen<br />

Supply<br />

Network<br />

Manager<br />

Entwicklungsdienstleister<br />

(CAD,<br />

DMU,Simulation)<br />

Erläuterungen<br />

� Mit dem Einzug von mechatronischen<br />

Komponenten im<br />

Fahrzeug ergeben sich neuartige<br />

Anforderungen der OEMs an die<br />

Zulieferunternehmen<br />

� Der Mechatronik-Trend forciert<br />

Unternehmen zur Bündelung<br />

komplementärer Kompetenzen<br />

(Software/Elektronik/Mechanik/<br />

Wärmeübertragung/Hydraulik).<br />

� Unternehmensgrenzen werden<br />

bei der Herstellung von<br />

innovativen Mechatronik-Produkte<br />

neu definiert<br />

� Zukünftige Mechatronik -<br />

Netzwerke bedienen sich einer<br />

Vielzahl von Unternehmen mit<br />

Spezial-Know-How<br />

� Entwicklungsnetzwerke sind keine<br />

dauerhaften Beziehungsgeflechte,<br />

sondern etablieren sich temporär<br />

für spezifische Entwicklungsprojekte<br />

18

Trends in der Automobilindustrie – Wertschöpfungsstrukturen<br />

Ein Großteil der mechanik-basierten Funktionen wird mittelfristig durch<br />

software-basierte Funktionen in mechatronischen Produkten ersetzt<br />

E-Kosten/Gesamtproduktionskosten<br />

Anteil der Elektronik an den<br />

gesamten Produktionskosten (%)<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

1985 1990 1995 2000 2005 2010<br />

Quelle: ZVEI; Innovationsreport 11/2004<br />

Number of ECU's<br />

80 Merc.-B.<br />

60<br />

BMW<br />

Audi<br />

40<br />

VW<br />

Entwicklung Anzahl Steuergeräte<br />

7er 5er<br />

S-Klasse C-Klasse 7er<br />

20 8er S-Klasse C-Klasse Golf 4 MP<br />

0<br />

1988 1990<br />

E-Klasse<br />

Passat 5<br />

1992 1994<br />

A6<br />

1996 1998<br />

A2<br />

2000<br />

A4<br />

2002 2004<br />

Quelle: VW; ADL Recherche<br />

3er<br />

A8<br />

Phaeton<br />

year<br />

Anzahl integrierter Fahrzeugfunktionen<br />

Leistungsfähigkeit in Anzahl<br />

integrierter Fahrzeugfunktionen<br />

10.000<br />

1.000<br />

100<br />

0<br />

Quelle: BMW<br />

Status<br />

heute<br />

Bemerkungen<br />

� Der Anteil der Elektronik an den Gesamtproduktionskosten<br />

wird 2010 35% betragen<br />

Jeweils kumulierter<br />

F&E-Aufwand<br />

3.2<br />

3.4<br />

Mechanik-basierte Funktionen<br />

Elektronik-basierte Funktionen<br />

Software-basierte Funktionen<br />

� Entwicklungsschwerpunkte in den nächsten Jahren sind:<br />

- Einsatz von modul-basierten Software-Plattformen<br />

- Konsolidierung der Anzahl Steuergeräte trotz<br />

gleichbleibender bzw. leicht steigender Anzahl an<br />

Funktionen<br />

19

Agenda<br />

3<br />

3.1<br />

3.2<br />

3.3<br />

3.4<br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Trends Antriebstechnik<br />

Wertschöpfungsstrukturen<br />

Entwicklungsprozesse in der Mechatronik<br />

Innovationsroadmap <strong>Leistungselektronik</strong><br />

20

Trends in der Automobilindustrie – Entwicklungsprozesse in der Mechatronik<br />

Die Definition von Standards für Software-Entwicklungsvorhaben <strong>und</strong> Hardware-Engineering<br />

sind derzeit in der Umsetzung oder bereits etabliert<br />

Herausforderung: Standardisierung eines mechatronischer Entwicklungsprozess<br />

CMMI – Anwendungsbereich:<br />

Process Engineering<br />

Initial Managed<br />

Defined<br />

SPICE/ISO15504 & Automotive SPICE –<br />

Anwendungsbereich: Prozessbasiertes<br />

Lieferanten-Assessment<br />

Software Process Improvement<br />

and Capability Determination<br />

Quantitatively<br />

Managed<br />

Optimizing<br />

Produktlinien-Ansatz – Anwendungsbereich:<br />

Software-Entwicklung<br />

Product<br />

Process<br />

Organization<br />

Informs<br />

Establish<br />

Context<br />

What to build<br />

Process<br />

Definition<br />

Cold start<br />

V-Modell – Anwendungsbereich:<br />

Systementwicklung<br />

System<br />

Requirements<br />

Subsystem<br />

Specification<br />

Component<br />

Design<br />

Implementation/<br />

(Production)<br />

Establish<br />

Production<br />

capability<br />

Each Asset<br />

Product<br />

Parts<br />

Assembly Line<br />

Operate<br />

Product Line<br />

In Motions Monitor<br />

Adoption Factory Pattern<br />

Eine Methodik bzw. die Standardisierung des Entwicklungsprozesses für Mechatronik-Produkte mit definierten<br />

Q-Gates steckt derzeit in der Automobilindustrie noch in den Kinderschuhen<br />

System<br />

Test<br />

Integration<br />

Test<br />

Module<br />

Test<br />

Product Builder<br />

Spiralmodell – Anwendungsbereich:<br />

Software-Entwicklung<br />

Inception Elaboration Construction Transition<br />

Idea Architecture Beta Releases Products<br />

Life Cycle<br />

Objective<br />

(LCO)<br />

Life Cycle<br />

Architecture<br />

(LCA)<br />

Initial Operational<br />

Capability<br />

(IOC)<br />

3.3<br />

21

Agenda<br />

3<br />

3.1<br />

3.2<br />

3.3<br />

3.4<br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Trends Antriebstechnik<br />

Wertschöpfungsstrukturen<br />

Entwicklungsprozesse in der Mechatronik<br />

Innovationsroadmap <strong>Leistungselektronik</strong><br />

22

Trends in der Automobilindustrie – Innovationsroadmap <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Vor allem Wettbewerbs- <strong>und</strong> Kostendruck zwingt die Automobilindustrie<br />

kontinuierlich zu technologischen Innovationen<br />

Drivetrain<br />

Chassis<br />

Safety<br />

Comfort<br />

Power +<br />

Wiring<br />

Information<br />

12V<br />

Radio<br />

Quelle: ADL Research<br />

Ignition<br />

intervall Wiper<br />

Fuel Injection<br />

Trip computer<br />

ABS<br />

CAN<br />

Slip control<br />

Hybrid<br />

Wasserstoff<br />

Enginecontrol Otto<br />

FSI<br />

elektr. Wasserpumpe<br />

elektromagn.Ventile<br />

Valve control<br />

elektr. Motorkühler<br />

Diesel pump<br />

Pumpe-Düse-ECU<br />

32 bit Controller<br />

ESP<br />

Bremsassistent<br />

MOST,LIN TTP/Flexray<br />

Starter Generator<br />

APU<br />

So<strong>und</strong> systems<br />

TV Infotainment<br />

Satellite radio DAB<br />

GSM Bluetooth UMTS Veh.-Veh.-<br />

GPS Navigation<br />

Internet Comm.<br />

heute<br />

1960 1970 1980 1990 2000 2010<br />

D2B<br />

elektron. ZE<br />

ESP2<br />

elektrohydr. Bremse<br />

brake-by-wire<br />

autonom<br />

Autom. Cruise Control intervenierende<br />

Systeme<br />

Lenkhilfe<br />

Stop+go-Systeme<br />

Überlagerungslenkung<br />

steer-by-wire<br />

hydraul. Dämpfungssystem elektr. Luftfedersysteme<br />

automat.<br />

Wankausgleich<br />

Spurwechsel<br />

Airbag<br />

Seiten-<br />

Airbag byteflight<br />

Park- Fußgänger-<br />

Assistent schutz<br />

Precrash Umfeld<br />

Sensorik Sensorik<br />

Climate control<br />

Keyless Entry<br />

Xenon<br />

Kurvenlicht Notbremsfunktion<br />

Frontscheibenheizung<br />

LED<br />

Erläuterungen<br />

� Innovationen werden in<br />

erster Linie durch den<br />

vermehrten Einsatz von<br />

Elektronik in bisher rein<br />

mechanischen Systemen<br />

realisiert<br />

� Beispiele für elektrisch<br />

betriebene Motornebenaggregate:<br />

– Elektr. Wasserpumpe<br />

– Elektr. Motorkühlung,<br />

� Beispiele Lenksysteme:<br />

– Lenkwinkelunterstützung<br />

– Aktivlenkung<br />

3.4<br />

23

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

24

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

25

Motor- & Nebenaggregate – Trends 4.1<br />

Der Bedarf an Hochtemperaturelektronik, vor allem hochtemperaturstabile<br />

Schaltungen über 140 o C, wird durch Einsatz neuer Fertigungsverfahren <strong>und</strong><br />

entsprechender Materialen in den nächsten 5 Jahren stark anwachsen<br />

Einlass<br />

120 o C<br />

Bild: BMW AG<br />

Temperaturen im Motorraum Bedarfsverteilung Hochtemperatur-Elektronik<br />

Drosselklappe<br />

200 o C<br />

Abgasturbolader<br />

1050 o C<br />

Armaturenbrett<br />

110 o C<br />

Getriebe<br />

145 o C<br />

Dachknoten<br />

85 o C<br />

Antriebsstrang<br />

175 o C<br />

Auspuff<br />

650 o C<br />

Jährliche Bedarfsverteilung an Hochtemperatur-Elektronik<br />

bezogen auf unterschiedliche Temperaturbereiche<br />

Jahr<br />

1998 2003 2008<br />

Temperaturbereich<br />

T

Motor- & Nebenaggregate – Trends<br />

Vor allem die steigenden Anforderungen bzgl. der Temperatur werden die<br />

künftigen Entwicklungen in der <strong>Leistungselektronik</strong> prägen<br />

Steigende Temperaturanforderung an die LE im Kfz<br />

Umgebungstemperatur<br />

[°C]<br />

150<br />

50<br />

Quelle: Bosch, Siemens VDO<br />

Automotive<br />

125°C<br />

Consumer<br />

1992 1996 2000 2004 2008 2012<br />

Erläuterung<br />

� Entwicklungsschwerpunkte der<br />

Industrie für die kommenden<br />

Jahre:<br />

– Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik<br />

im Bereich > 200°C<br />

– Hochtemperatur-<strong>Leistungselektronik</strong><br />

(Si oder SiC)<br />

– Hochtemperatur-Regelungselektronik<br />

(µController,<br />

Sensoren)<br />

– Hochtemperaturfähige<br />

Kondensatoren (Polymer)<br />

– Innovative Entwärmungskonzepte<br />

– Systemintegration<br />

4.1<br />

27

Motor- & Nebenaggregate – Trends<br />

Je nach Einsatzort bzw. Betriebsbedingungen sind neben Einsatz neuer<br />

Werkstoffe auch spezielle Leiterplatten-/Bestückungstechnologien<br />

notwendig<br />

Umgebungstemperatur<br />

Quelle: Bosch<br />

[°C]<br />

150<br />

120<br />

90<br />

60<br />

30<br />

Durch zunehmende Sytemintegration ergeben sich steigende<br />

Temperaturanforderung an die <strong>Leistungselektronik</strong>-Bauteile<br />

ABS/<br />

ESP<br />

EM<br />

PCB<br />

EPS<br />

PCB<br />

on<br />

Metal<br />

TC<br />

EM<br />

PECU<br />

µ Hybrid<br />

0 20 40 60 80<br />

Vibration g (Sinus)<br />

Erläuterung<br />

� <strong>Leistungselektronik</strong>-Systeme<br />

werden zunehmend direkt in das<br />

System integriert. Daraus<br />

resultieren zunehmend höhere<br />

Anforderungen an Temperatur,<br />

Vibration, sowie EM-<br />

Verträglichkeit<br />

� EM = Engine Management<br />

� TC = Transmission Control<br />

� EPS = Electrical Power Steering<br />

� PECU = Pump Electronic Control<br />

Unit<br />

4.1<br />

28

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

29

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung Pumpen 4.2<br />

Die keilriemengetriebene Ansteuerung der Nebenaggregate wird bis 2010<br />

durch elektromechanische Antriebe ersetzt werden<br />

Möglichkeiten für die elektrische Ansteuerung von Fahrzeugmodulen<br />

elektrisch gesteuerte<br />

Kühlmittelpumpe<br />

Quelle: Pierburg, ebmPapst<br />

Lüfter<br />

EC-Motor<br />

E-Booster<br />

Langlebigkeit, Geräuscharmut<br />

<strong>und</strong> geringe Abmessungen ermöglichen<br />

es dem EC-Motor<br />

sich gegenüber dem Riemenantrieb<br />

durchzusetzen<br />

30

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung Pumpen 4.2<br />

EC-betriebene Wasserpumpen werden sich kurzfristig in allen Fahrzeugklassen<br />

durchsetzen<br />

Quelle: Pierburg, BMW<br />

EC-betriebene Wasserpumpe Erläuterungen<br />

� Befindet sich bereits im BMW 5-er Serie in<br />

Einsatz<br />

� Aktuell wird ein komplettes Spektrum unterschiedlicher<br />

Leistungsklassen von Wasserpumpen<br />

aufgebaut<br />

� Mittelfristig (2008 – 2010) sind Wasserpumpen<br />

mit EC-Motoransteuerung im BMW<br />

der 3er <strong>und</strong> 7er Serie angedacht<br />

� Längerfristig (ab 2010) sollen damit sämtliche<br />

Fahrzeugklassen ausgestattet werden<br />

31

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung Pumpen<br />

Vor allem im Bereich der Pumpensteuerung stieg der Einsatz von Halbleitern<br />

in den vergangenen Jahren rasant an<br />

Brücken Treiber A<br />

Low-Side<br />

Treiber<br />

Treiber-ASIC<br />

Quelle: Elmos<br />

Wasserpumpen-Steuerung mit EC-Antrieb Erläuterungen<br />

High-Side<br />

Treiber<br />

Brücken Treiber B<br />

Low-Side<br />

Treiber<br />

High-Side<br />

Treiber<br />

Brücken Treiber C<br />

Low-Side<br />

Treiber<br />

High-Side<br />

Treiber<br />

Charge-Pump<br />

Transisitor für<br />

Shuntmessung<br />

Spannungs-<br />

Versorgung (12V/42V )<br />

Ford Focus FCV<br />

BSD Interface<br />

PWM-Interface<br />

Temperatur-<br />

Messung<br />

5 Bit Eingabe<br />

Oszil<br />

lator<br />

Watch-<br />

Dog<br />

ROM<br />

Steuer-ASIC<br />

8 (10) bit<br />

A/D<br />

Wandler<br />

8 Bit uP<br />

Kern<br />

Timer<br />

Strommes.<br />

Shuntmes.<br />

Phasen-Signal-<br />

Erkennung<br />

PWM-Modul<br />

PWM-Modul<br />

PWM-Modul<br />

RAM<br />

ASICs<br />

Substrat<br />

Alu-<br />

Kühlk.<br />

� Kreiselpumpe mit dreiphasigen<br />

bürstenlosen Gleichstrommotor als<br />

Antrieb<br />

� Keine Sensoren zur Rotorpositionsbestimmung,<br />

keine ext. Shunt Widerstände<br />

� Kommunikation über BSD-BUS oder<br />

PWM-Ansteuerung<br />

� Chipinterner Oszillator mit<br />

Synchronisationsfähigkeit auf BSD-<br />

Master-Protokolle<br />

� PWM-Ansteuerung von 3 externen NMOS<br />

Halbbrücken<br />

� Komparatoren zum Vergleich der<br />

Spulenspannungen mit Mitten-Potenzial<br />

� 6 Bit DAC zur Vorgabe der Überstrom-<br />

Abschaltschwelle<br />

� 8 Bit A/D Wandler mit Multiplexer<br />

� 8 Bit µP mit Hardwaredivisionseinheit<br />

� Aufbau als Hybrid<br />

4.2<br />

32

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung Pumpen<br />

Mit der von Pierburg bereits 2004 vorgestellten stufenlosen Ölpumpe können<br />

Ölwechsel-Intervalle verlängert werden<br />

Quelle: Pierburg<br />

Variable Ölpumpe Erläuterungen<br />

variable Flügelzellenpumpen von Pierburg<br />

� Der Schmiermittelbedarf steigt in den neuen<br />

Fahrzeugklassen stark an. Eine optimale<br />

Versorgung kann durch die eine stufenlose<br />

Ölpumpe erreicht werden.<br />

� Das Fördervolumen wird flexibel an den<br />

Schmiermittelbedarf angepasst.<br />

� Im höheren Drehzahlbereich zeichnen sich<br />

die Pumpen durch eine geringere<br />

Verlustleistung aus.<br />

� Die Belastung <strong>und</strong> Alterung des Öls wird<br />

somit verringert.<br />

�Ölwechsel-Intervalle verlängern sich<br />

�Kostenersparnisse für den Endverbraucher<br />

4.2<br />

33

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

34

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung von Lüfter 4.3<br />

EC-Motoren haben sich auch für die Ansteuerung von Lüftern als vorteilhaft<br />

erwiesen <strong>und</strong> werden den <strong>Markt</strong> weiterhin durchdringen<br />

Kühlerlüfter + EC-Motor mit Steuerelektronik Erläuterungen<br />

Quelle: ebm papst<br />

Boostergebläse zur Kühlung <strong>und</strong><br />

Heizung des Frontbereichs im Kfz<br />

Radiallüfter für die<br />

Elektronikkühlung<br />

Lüftungssysteme zum Einbau<br />

in die Rückenlehne <strong>und</strong> Sitzfläche<br />

� Die steigende Anzahl an elektronischen Geräten auf<br />

engem Bauraum erfordert ein gutes Lüftersystem.<br />

� Anwendungsfelder, sind z.B. Elektronikkühlung,<br />

Motorkühlung, Sitzklimatisierung bis hin zur Kühlung von<br />

Infotainmentgeräten in der Instrumententafel<br />

� Im Kfz kommen spezielle Ausführungen von Lüftern zum<br />

Einsatz, die die Hauptforderungen Langlebigkeit,<br />

Geräuschlosigkeit <strong>und</strong> Leistungsstärke erfüllen.<br />

� Für die präzise Steuerung von Drehzahl- <strong>und</strong> –moment<br />

sorgen EC-Motoren mit der dazugehörigen<br />

Steuerelektronik.<br />

� Durch Temperaturen bis zu 175°C <strong>und</strong> Vibrationen folgen<br />

hohe Anforderungen an die Steuereinheit der EC-<br />

Motoren.<br />

� Die Montage der Ansteuerungselektronik erfolgt direkt an<br />

den Motoren. -> optimale Bauraumnutzung<br />

� Hoher Wirkungsgrad, hohe Lebensdauer (bis zu 25000<br />

Betriebsst<strong>und</strong>en), erweiterter Temperaturbereich machen<br />

den EC-Motor zur optimalen Antriebseinheit bei den<br />

Lüftern<br />

35

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung von Lüfter<br />

Die neue Generation von EC-Motoren nach dem Innenläuferprinzip erschließt<br />

den Automobilherstellern neue Integrationsmöglichkeiten im Fahrzeug-<br />

Frontend<br />

EC-Motor nach Innenläuferprinzip Erläuterungen<br />

Quelle: Siemens VDO<br />

� Die bürstenlosen Lüftermotoren arbeiten<br />

nach Innenläuferprinzip<br />

� Daraus ergeben sich Vorteile bezüglich<br />

Leistung, Lebensdauer <strong>und</strong> Lautstärke<br />

� Die eingesetzte Mikroelektronik minimiert<br />

den Energieverbrauch<br />

� Aus Bauform <strong>und</strong> –größe ergeben sich neue<br />

Möglichkeiten bei der Integration in den<br />

Fahrzeugfrontend beispielsweise zur<br />

Verbrennungsmotorkühlung<br />

4.3<br />

36

Motor- & Nebenaggregate – Ansteuerung von Lüfter<br />

Die Lüftergebläseansteuerung stellt auch die Verbindung zum Bussystem<br />

sicher<br />

Quelle:Elmos<br />

Lüftergebläse-Ansteuerung Erläuterungen<br />

+ 12 V<br />

+ 5 V<br />

B6/C4<br />

Fail Safe<br />

Hall<br />

µC<br />

LIN-Bus<br />

Motor Current<br />

10<br />

Step<br />

Down<br />

Converter<br />

wake<br />

Motor<br />

Control<br />

Logic<br />

LIN<br />

Interface<br />

Internal<br />

Supply<br />

Drain Voltage<br />

Sense<br />

Gate Drive<br />

Current Sense<br />

4<br />

4<br />

+ 42 V<br />

C4 EC-Motor<br />

Rslewrate<br />

Hall<br />

L1 L2 L3 L4<br />

VBat<br />

Gnd<br />

� Controller für EC-Motoren,<br />

� Logik für variable Flankenansteuerung,<br />

� PWM,<br />

� Ansteuerung für Leistungstreiber,<br />

� Auswertung von Hall-Sensoren,<br />

� Stromüberwachung,<br />

� Notlauf-Funktion,<br />

� LIN-Bus,<br />

� DC-DC-Konverter<br />

4.3<br />

37

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

38

Motor- & Nebenaggregate – Abgasturbolader 4.4<br />

In Verbindung mit Downsizing-Tendenzen werden <strong>und</strong> Turboladern mit<br />

zweistufiger Aufladung (R2S) zunehmend auch Turboladern mit variablen<br />

Turbinengeometrie diskutiert<br />

Abgasturboladerkonzept - VTG Erläuterungen<br />

Quelle: BorgWarner / KKK<br />

� Abgasturbo-Lader mit variabler Turbinengeometrie<br />

(VTG) ermöglicht ein effektives Arbeiten auch im<br />

Teillastbereich<br />

� Bei Turbolader mit VTG erfolgt die<br />

Geometrieänderung durch Verstellen der<br />

Turbinenleitschaufeln<br />

� Vorteil ist hier, dass der volle Massenstrom über die<br />

Turbine geleitet wird <strong>und</strong> zur Leistungsumsetzung<br />

herangezogen wird<br />

� Spezielle thermische Anforderungen ergeben sich<br />

bei der Otto-Aufladung in der Turbine (1050 o C)<br />

� Die Steuerung des elektromotorischen<br />

Verstellmechanismus des VTG erfolgt über<br />

<strong>Leistungselektronik</strong>komponenten<br />

39

Motor- & Nebenaggregate – Abgasturbolader<br />

Ausnutzung von Elektronik <strong>und</strong> Elektrik führt auch zu Vorteilen bei der<br />

Aufladung von Ottomotoren<br />

Abgasturboladerkonzept – E-Booster Erläuterungen<br />

Quelle: BorgWarner / KKK<br />

� Das Konzept der elektrischen Aufladung umfasst das<br />

zusätzliche Anbringen eines Elektromotors an die<br />

Antriebswelle des Turboladers<br />

� Der E-Booster wird dem eigentlichen<br />

Abgasturbolader vor- oder nachgeschaltet.<br />

� Er zieht eine Spitzenleistung von ca 2.4 kW, welche<br />

das heutige 14V-Bordnetz noch nicht zur Verfügung<br />

stellt<br />

� Ab 2008 geht das System in Serie<br />

� Der E-Booster wird mit einem durch <strong>Leistungselektronik</strong><br />

geregelten Elektromotor angetrieben<br />

� BorgWarner hat den Lader in Kooperation mit EBM<br />

Pabst (Motor) <strong>und</strong> Fujikura (Bordnetz) entwickelt<br />

4.4<br />

40

Motor- & Nebenaggregate – Abgasturbolader<br />

Abgasturbolader mit elektrischer Unterstützung (E-Booster) gehen ab 2008<br />

in Serie<br />

Prinzip ATL mit elektrischer Unterstützung Erläuterungen<br />

Quelle: BMW<br />

� Wegen Komplexität<br />

<strong>und</strong> zu hoher Bordnetzbelastung<br />

ist der<br />

Serieneinsatz der<br />

Kombination des<br />

E-Boosters mit einem<br />

ATL noch nicht erfolgt<br />

� Elektrisch unterstützte Abgasturbolader<br />

können prinzipbedingt nur einen kleinen<br />

Bereich des gesamten Motorkennfeldes<br />

verbessern<br />

� Vor allem im Anfahrtsbereich wird das<br />

Motorkennfeld verbessert<br />

4.4<br />

41

Motor- & Nebenaggregate – Abgasturbolader<br />

Durch Stufenaufladung erreicht der Turbolader auch bei niedrigen<br />

Drehzahlen genügend Ladedruck<br />

Abgasturboladerkonzept – Stufenaufladung Erläuterungen<br />

Quelle: BMW / Opel<br />

� Die Stufenaufladung, die laut BMW bisher nur<br />

von Hochleistungsbootsmotoren bekannt ist,<br />

soll dabei nicht nur die Leistung erhöhen<br />

sondern auch das Turboloch reduzieren<br />

� Zwei Turbolader können entweder hintereinandergeschaltet<br />

werden oder durch<br />

klappengesteuerte Bypässe umgangen<br />

werden<br />

� BMW 535d ist das erste V6 Serienfahrzeug<br />

mit Stufenaufladung <strong>und</strong> erreicht eine<br />

Leistungssteigerung um 25%<br />

� Die Klappen werden pneumatisch betätigt<br />

<strong>und</strong> elektrisch gesteuert<br />

� Die <strong>Leistungselektronik</strong> regelt das<br />

Zusammenspiel der beiden Turbolader<br />

4.4<br />

42

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

43

Motor- & Nebenaggregate – Vollvariables Schaltsaugrohr 4.5<br />

Das vollvariable Schaltsaugrohr ermöglicht dem Motormanagement die<br />

stufenlose Synchronisation der Saugrohrlänge mit der aktuellen<br />

Motordrehzahl <strong>und</strong> ist bereits bei BMW (5-er <strong>und</strong> 7-er) in Serie<br />

Quelle: Pierburg, BMW<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr Erläuterungen<br />

� Ein Elektromotor positioniert die<br />

Läuferringe in weniger als einer Sek<strong>und</strong>e<br />

auf die notwendige Saugrohrlänge<br />

� Das Ergebnis <strong>und</strong> der Vorteil gegenüber<br />

anderen Systemen sind die optimalen<br />

Leistungs- <strong>und</strong> Drehmomentwerte bei<br />

gleichem Kraftstoffverbrauch<br />

� Anwendung findet das System mittlerweile<br />

beim BMW der 5-er <strong>und</strong> 7-er Serie<br />

44

Motor- & Nebenaggregate – AGR-Ventil 4.5<br />

Mit einer elektronisch geregelten Abgasrückführung können auch zukünftige<br />

weiter verschärfte Emissionsgrenzwerte mit modernen PKW-Motoren<br />

eingehalten werden<br />

Elektronisch geregeltes Abgasrückführventil Erläuterungen<br />

AGR-Ventil v<br />

on Pierburg<br />

AGR<br />

Einlass<br />

Quelle: Pierburg, SiemensVDO<br />

Ford Focus FCV<br />

AGR-<br />

Auslass<br />

AGR-Ventil von Siemens VDO<br />

elektronisches Diesel-AGR mit Lagerückmeldung<br />

� Das elektronisch geregelte Abgasrückführsystem<br />

leistet einen entscheidenden<br />

Beitrag zur Reduzierung der ausgestoßenen<br />

Schadstoffe in der Luft.<br />

� Das elektronisch geregelte Abgasrückführventil<br />

arbeitet unabhängig vom Unterdruck<br />

� Daraus leitet sich sowohl eine stärkere<br />

Reduzierung des Stickoxydausstoßes als<br />

auch eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs<br />

ab<br />

45

Agenda<br />

4<br />

4.1<br />

4.2<br />

4.3<br />

4.4<br />

4.5<br />

4.6<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Trends<br />

Ansteuerung Pumpen<br />

Ansteuerung Lüfter<br />

Abgasturbolader<br />

Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil<br />

Ventilsteuerung<br />

46

Motor- & Nebenaggregate – Ventilansteuerung 4.6<br />

Die elektrohydraulische Ventilsteuerung optimiert Kraftstoffverbrauch,<br />

Momentverlauf <strong>und</strong> Schadstoffemission<br />

Elektrohydraulische Ventilsteuerung Erläuterungen<br />

Quelle: MTZ, DaimlerChrysler AG<br />

elektrisch ansteuerbare Aktuatorik<br />

� Die elektrohydraulische Ventilsteuerung<br />

ermöglicht die freie Ansteuerbarkeit der<br />

einzelnen Ventile im Motor<br />

� Die Nockenwelle wird durch eine<br />

elektronisch ansteuerbare Aktuatorik ersetzt<br />

� Dadurch wird eine vollständige Zu- <strong>und</strong> Abführung<br />

der an der Verbrennung beteiligten<br />

Gase möglich<br />

� Damit werden Kraftstoffersparnis, Momentverlauf<br />

<strong>und</strong> Schadstoffemission optimiert.<br />

Gegenüber dem nockenwellenbetriebenen<br />

System können Einsparungen bis zu 10%<br />

erzielt werden<br />

47

Motor- & Nebenaggregate – Ventilansteuerung 4.6<br />

Elektromagnetische Ventilverstellung ersetzt die Nockenwelle <strong>und</strong> führt<br />

somit zu 15%-iger Kraftstoffersparnis sowie einer Drehmomentsteigerung<br />

Positionierungsgerät zur Verstellung der<br />

Ventile<br />

Quelle: E-MOTION Quelle: Automobil-Produktion<br />

Erläuterungen<br />

� Durch die klassische Nockenwelle sind die<br />

Zeiten für die Ventilbetätigung starr<br />

vorgegeben<br />

� Die elektronisch gesteuerte Ventilverstellung<br />

bietet einen beliebigen Ventilbetrieb<br />

� Aus Kostengründen ist es allerdings fraglich,<br />

ob sich der elektr. Ventiltrieb durchsetzt<br />

� Die Steuerung der Elektromagneten <strong>und</strong> des<br />

Bewegungsvorgangs wird von<br />

<strong>Leistungselektronik</strong> übernommen<br />

� Ein Positionierungsgerät übernimmt dabei<br />

virtuell die Stellung der Nockenwelle<br />

48

Motor- & Nebenaggregate – Ventilansteuerung 4.6<br />

Variable Ventilverstellung <strong>und</strong> -trieb ermöglichen durch Veränderung der<br />

Öffnungs- <strong>und</strong> Schließzeiten eine Leistungssteigerung im Teillastbereich bei<br />

geringerem Kraftstoffverbrauch<br />

Variable Ventilverstellung Variabler Ventiltrieb<br />

� Einlass- <strong>und</strong> Auslasszeiten können verändert<br />

werden<br />

� Elektronische Steuereinheit betätigt das VANOS-<br />

System von BMW<br />

� Die Steuereinheit VVT-i von Toyota steuert die<br />

Nockenwellenregelventile elektronisch nach der<br />

Verarbeitung der Sensordaten<br />

Quelle: BMW Quelle: BMW<br />

� Valvetronic von BMW erreicht eine 10%ige<br />

Kraftstoffverringerung<br />

� Das mechatronische Gesamtsystem wurde 2001<br />

zunächst im BMW 316 ti compact eingeführt<br />

� Das Honda VTEC-System verändert den Ventilhub<br />

mit einer hydraulischen Steuerung<br />

49

Motor- & Nebenaggregate – Ventilansteuerung 4.6<br />

Intelligente Glühkerzen, durch <strong>Leistungselektronik</strong> gesteuert, können den<br />

Kraftstoffverbrauch senken <strong>und</strong> gleichzeitig die No x -Emission senken<br />

Quelle: Beru AG, ELMOS<br />

Drucksensorglühkerze (PSG) Erläuterungen<br />

Glühkerzenansteuerung<br />

� Das elektronisch gesteuertes Glühsystem<br />

(ISS) wird von sämtlichen deutschen<br />

Automobil-Herstellern eingesetzt<br />

� Durch dieses Diesel-Sofortstartsystem wird<br />

ein emissionsarmes Starten bei niedriger<br />

Temperatur ermöglicht<br />

� Beru AG plant den Serieneinsatz von PSG<br />

für 2006<br />

� Eine Piezo-Sensorik wurde in die Glühkerze<br />

integriert, wodurch die Steuereinheit Daten<br />

erhält um die Glühkerze optimal steuern zu<br />

können<br />

� Die gesamte <strong>Leistungselektronik</strong> ist dabei im<br />

oberen Teil der Glühkerze integriert<br />

50

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

51

Agenda<br />

5<br />

Alternative Alternative Antriebe Antriebe<br />

5.1<br />

5.2<br />

Hybridantrieb<br />

Brennstoffzellenantrieb<br />

52

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Hybridfahrzeuge erlauben einen ökonomischeren Einsatz des<br />

Kraftfahrzeugs, ohne auf den Fahrkomfort von konventionellen Antrieben<br />

verzichten zu müssen<br />

Fahrspaß ….<br />

Kraftstoffersparnis …<br />

CO2 - Emissionsreduzierung<br />

….<br />

Image ….<br />

Warum Hybridfahrzeuge ?<br />

� Zusätzliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen -<br />

vergleichbar mit State-of-the-art Diesel-Technologie<br />

� Regeneratives Bremsen<br />

� Start/Stopp-Funktion<br />

� Optimierung der Betriebsstrategien<br />

� Fahren mit E-Motor<br />

� Optimierung der Betriebsstrategien<br />

� Einsatz einer "sauberen" Technologie<br />

� Innovation<br />

53

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Der <strong>Markt</strong>führer Toyota sieht das Hybridfahrzeug auf dem besten Weg zum<br />

ökologisch optimal konfigurierten Fahrzeug<br />

Vision Toyotas vom ökologischen Auto der Zukunft<br />

NGV Naturgas-<br />

Fahrzeug<br />

Quelle: Toyota<br />

Alternativmotoren<br />

Common Rail<br />

Direkteinspritzer<br />

Dieselmotoren<br />

Das ultimative Eco-Auto<br />

D4 Direkteinspritzer<br />

Magermotor<br />

VVT-i<br />

Benzinmotoren<br />

THS Toyota<br />

Hybridsystem<br />

Serienhybrid<br />

Hybridfahrzeuge<br />

Verbrennungsmotoren EHV<br />

FCEV Brennstoffzelle<br />

EV Elektr.<br />

Fahrzeug<br />

Elektro-<br />

Fahrzeuge<br />

Erläuterungen<br />

� Unterschiedliche Fahrzeugkonzepte<br />

führen parallel zu<br />

einen Fahrzeug mit starker<br />

ökologischer Ausrichtung<br />

� Toyota's Hybrid-Strategie zielt<br />

auf eine breite <strong>Markt</strong>durchdringung<br />

in den USA ab<br />

� Engpass bei der Produktion<br />

von Toyota sind derzeit die<br />

Lieferanten der Batteriesysteme<br />

� Für das zukünftige<br />

Entwicklungspotential der<br />

Hybrid-Technologie ist die<br />

USA der Schlüsselmarkt<br />

� Der SUV-<strong>Markt</strong> wird durch<br />

Toyota derzeit mit der<br />

Einführung des Lexus RX<br />

400h angegangen<br />

54

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Optimistische Prognosen gehen davon aus, dass die Anzahl der verkauften<br />

Hybridfahrzeuge in den USA auf bis zu 3,5 Millionen in 2010 ansteigen wird<br />

U$ per gallon<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

With $2,000 tax-break Without tax-breaks<br />

$2.30<br />

US Gasoline Prices & Hybrid Vehicle Premium:<br />

Ford Escape Hybrid (2005)<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />

Years to break-even<br />

Note: Annual fuel cost is based on 15,000 miles of travel each year (55% urban, 45% highway), US Department of Energy<br />

Quelle: Ford, MSNBC.com, US Department of Energy, 2005<br />

million units Various US Hybrid Market Forecasts<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

Banc of America Securities Automotive Technology Research J D Pow er & Associates<br />

Freedonia Group US Department of Energy ABI Research<br />

OSAT & University of Michigan Booz Allen Hamilton Fiat<br />

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015<br />

Quelle: Minor Metals<br />

Erläuterungen<br />

� Nicht zuletzt getrieben durch<br />

die aktuellen Entwicklungen<br />

auf dem Energiemarkt wird<br />

vor allem in den USA in den<br />

folgenden Jahren eine<br />

stetige Erhöhung der<br />

Verkaufszahlen erfolgen<br />

� Ein Haupttreiber für die<br />

genannte <strong>Markt</strong>entwicklung<br />

ist u.a. die steuerliche<br />

Begünstigung für<br />

Privatpersonen<br />

� Der Erwerb eines Ford<br />

Escape Hybrid würde sich<br />

derzeit durch diverse<br />

Steuervergünstigungen<br />

bereits nach etwas mehr als<br />

einem Jahr rechnen<br />

Wir erwarten für 2011 2,8 Mio. <strong>und</strong> für 2015 6 Mio. verkaufte Hybrid-Fahrzeuge weltweit<br />

55

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

First-Tier Unternehmen positionieren sich derzeit als Anbieter modularer<br />

Systemkomponenten auf Basis eines Baukastensystem<br />

Batterie UltraCap<br />

Quelle: Continental; Epcos<br />

E-Maschine <strong>Leistungselektronik</strong> Konventionelles<br />

14 V Bordnetz<br />

~<br />

Energiespeichersystem<br />

~<br />

=<br />

Energy<br />

storage<br />

controller<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

L<br />

N<br />

PE<br />

115/230 V ~<br />

Option<br />

Steckdose<br />

Kommentar<br />

� First-Tier-Unternehmen<br />

erweitern derzeit ihr Produkt-<br />

Portfolio um Hybridkomponenten<br />

(Bsp. ZF-Conti-<br />

Partnerschaft)<br />

� Hybrid-Komponenten der<br />

zweiten Generation befinden<br />

sich derzeit in der<br />

Vorentwicklungsphase<br />

� Mögliche Strategieoptionen:<br />

a) Allianzen:<br />

<strong>Leistungselektronik</strong>anbieter<br />

plazieren sich als<br />

Kooperationspartner von 1-<br />

Tier<br />

b) Interner Kompetenzaufbau:<br />

Unternehmen (Beispiel<br />

Getriebehersteller) bauen<br />

intern Kompetenz-Center<br />

für <strong>Leistungselektronik</strong><br />

(Hybridantriebe) auf<br />

56

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Die Hauptaufgabe der Hybridsteuerung ist die Koordination von<br />

Verbrennungsmotor <strong>und</strong> elektrischer Maschine, sowie die Ansteuerung der<br />

<strong>Leistungselektronik</strong><br />

Quelle: FEV Motorentechnik<br />

Prinzip Hybridsteuerung Erläuterungen<br />

Ford Focus FCV<br />

� Die Hybridsteuerung hat die Aufgabe einen<br />

optimalen Fahrzeugantrieb in allen<br />

Fahrsituationen bereitzustellen<br />

� Dies erfolgt vor allem bei der intelligenten<br />

Umsetzung des Fahrerwunschmomentes in<br />

eine Drehmomentanforderung an den<br />

Verbrennungsmotor sowie an die elektrische<br />

Maschine<br />

57

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Das sinnvolle Zusammenspiel der Antriebskomponenten eines<br />

Hybridfahrzeuges ermöglicht eine ökologisch <strong>und</strong> ökonomisch sinnvolle<br />

Nutzung des Kraftfahrzeugs<br />

Quelle:Toyota<br />

Normale Fahrt<br />

Fährt mit Elektro- <strong>und</strong><br />

Verbrennungsmotor in der jeweils<br />

verbrauchsgünstigsten Kombination<br />

Zusammenspiel Antriebskomponenten-Hybridantrieb<br />

Volle<br />

Beschleunigung Verzögerung Stop and Go<br />

Ergänzung von Motorkraft<br />

<strong>und</strong> Elektromotor<br />

Elektrizität wird erzeugt <strong>und</strong> trägt<br />

zur Ladung der Batterie bei<br />

Verbrennungsmotor schaltet sich<br />

automatisch ab, <strong>und</strong> das Fahrzeug<br />

fährt mit Elektromotor<br />

58

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Der parallele Antrieb ermöglicht es die Vorteile von Verbrennungs- <strong>und</strong><br />

Elektromotor optimal zu nutzen<br />

Hauptstrukturen Erläuterungen<br />

Serien-Hybrid<br />

Parallel-Hybrid<br />

Quelle: Dietrich Naunin Hybrid-, Batterie- <strong>und</strong> Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge<br />

� Serien-Hybrid<br />

– Verbrennungsmotor ist mit einem Generator<br />

gekoppelt<br />

�die erzeugte elektrische Energie wird an den<br />

Elektroantrieb weitergegeben<br />

� Paralleler-Antrieb<br />

– Verbrennungs- <strong>und</strong> Elektromotor sind hier getrennt<br />

voneinander angeordnet,<br />

�der Elektromotor wird hier vor allem zum Anfahren<br />

bzw. für Stadtfahrten genutzt <strong>und</strong> der<br />

Verbrennungsmotor für Überlandfahrten<br />

� Ergänzend zum Serien/Parallel-Antrieb existiert noch<br />

die kombinierte Struktur, in der der Antrieb von<br />

Elektro- <strong>und</strong> Verbrennungsmotor in gleichen<br />

Verhältnissen gespeist wird<br />

59

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Hybridkonzepte werden nach 3 Kategorien klassifiziert; in der jeweiligen<br />

Kategorie werden unterschiedliche Fahrfunktionen unterstützt<br />

Funktionen:<br />

� Start/Stop-Funktion<br />

� Regeneratives Bremsen<br />

� Drehmoment-Unterstützung<br />

� E-Drive<br />

Spannungsversorgung<br />

Power Output E-Motor<br />

AktuelleTreiber der Konzepte<br />

Übersicht – Hybride Systemfamilien<br />

Mini-/Micro-Hybrid Mild-Hybrid Full-/Power-Hybrid<br />

���� ���� ����<br />

���� ����<br />

���� ���� ����<br />

5 – 10 kW 15 – 30 kW > 30 kW – 75 kW<br />

� Kraftstoffersparnis<br />

� Emmisionsreduzierung<br />

< 60 V 100 V – 450 V<br />

� Kraftstoffersparnis<br />

� Emmisionsreduzierung<br />

� Fun2Drive<br />

� Kraftstoffersparnis<br />

60

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Das ISAD-System (Integrierter Starter Alternator Dämpfer) ersetzt<br />

Lichtmaschine <strong>und</strong> Anlasser in einem elektrischen Aggregat <strong>und</strong> ermöglicht<br />

gleichzeitig die Rekuperation von Bremsenergie<br />

Quelle: Continental<br />

ISAD REDBOX Erläuterungen<br />

� Durch Start-Stop-Betrieb lassen sich bis zu<br />

15% Kraftstoffverbrauch einsparen<br />

� Weitere 11-14% lassen sich durch die<br />

Rekuperation der Bremsenergie einsparen<br />

� Durch nahezu geräuschlosen Start <strong>und</strong><br />

verringerte Schadstoff-Emission erhöht sich<br />

der Nutzen von ISAD<br />

� Die Steuereinheit (REDBOX) des ISAD-<br />

Systems ist mit leistungsfähigen<br />

elektronischen Komponenten ausgerüstet,<br />

die die benötigte Betriebsspannung für den<br />

Elektromotor erzeugen<br />

61

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Beim Citroën C3 <strong>und</strong> C2 (Mild-Hybrid) ist ein riemengetriebener Starter-<br />

Alternator im Einsatz<br />

Start-Stop-Funktion des Citroën C3<br />

� C3 kombiniert zwei fortschrittliche Technologien<br />

miteinander: das automatisierte Handschaltgetriebe<br />

SensoDrive <strong>und</strong> einen umkehrbaren Alternator mit<br />

elektronischer Steuerung<br />

Quelle: ADL Research, Citroen, Valeo<br />

Erläuterungen<br />

� Neben dem Citroen C3 wird die Start-Stoptechnologie<br />

auch im Modell C2 angeboten<br />

� Das System hat zwei Hauptbestandteile:<br />

- umkehrbaren riemengetriebenen Alternator mit<br />

einer Leistung von 2 kW, der die Funktionen des<br />

Anlassers <strong>und</strong> der Lichtmaschine übernimmt<br />

(Einspeisung von elektrischer Energie in das<br />

Bordnetz)<br />

- eine <strong>Leistungselektronik</strong>, die den Alternator<br />

steuert <strong>und</strong> die Verbindung zum Motorrechner<br />

<strong>und</strong> der intelligenten Steuereinheit herstellt.<br />

� Beim Bremsen schaltet der Motor kurze Zeit vor dem<br />

Stillstand ab (Geschwindigkeit unter 6 km/h)<br />

� Durch die Start-Stop-Funktion können<br />

Kraftstoffeinsparungen von bis zu 5 % erreicht<br />

werden, in Kombination mit regenerativem Bremsen<br />

bis zu 11%<br />

62

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Honda Civic IMA (Integrated Motor Assist) kombiniert einen Elektromotor mit<br />

einem Benzinmotor zu einem "Mild-Hybridmotor"<br />

Quelle: Honda<br />

Honda Civic IMA Erläuterungen<br />

� Kraftstoffverbrauch: 4,9 Liter/100 km, damit bis zu<br />

30% weniger als der von der Leistung vergleichbare<br />

Honda Civic 1.4S<br />

� Der Civic IMA benutzt eine 144V Batterie als<br />

Antriebsaggregat<br />

� Der 1,3 l Ottomotor kombiniert mit einem 9 PS<br />

starken Elektromotor ergibt eine Gesamtleistung von<br />

95 PS<br />

� Während Konstantfahrten wird der konventionelle<br />

Antrieb verwendet; beim Beschleunigen <strong>und</strong><br />

Anfahren der Elektromotor<br />

� Das System IMA dient als Startergenerator bei Motor-<br />

Shut-Down<br />

� Steuereinheit mit <strong>Leistungselektronik</strong> regelt das Zu<strong>und</strong><br />

Abschalten des Elektromotors automatisch<br />

63

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Toyota Prius (Full-Hybrid) war 1997 weltweit das erste in Serie hergestellte<br />

Fahrzeug mit Hybridmotor<br />

Quelle:Toyota<br />

Toyota Prius<br />

Hybrid-Synergy-Drive-Technologie<br />

Erläuterungen<br />

� Der Prius von Toyota wurde zum europäischen "Auto<br />

des Jahres 2005" gewählt<br />

� 1,5 l Ottomotor in Kombination mit einem<br />

Elektromotor ergeben eine Gesamtleistung von 82<br />

kW<br />

� Der Toyota Prius benutzt eine 201.6 V NiMH-Batterie<br />

� Mit einer Beschleunigungsdauer von 11,9 sec<br />

erreicht der Prius fast 2 Sek<strong>und</strong>en schneller die 100<br />

km/h Marke als der Civic<br />

� Mit 4,3 Liter pro 100 km, eine Reduktion des<br />

Kraftstoffverbrauchs um bis zu 40% gegenüber<br />

einem Benzinmotor<br />

� 89% weniger smogbildende Emissionen als<br />

Fahrzeuge mit konventionellen Antrieb<br />

� Der Elektromotor treibt die Vorderachse an, bei<br />

Bedarf wird von der Steuereinheit der Benzinmotor<br />

an der Hinterachse zugeschaltet<br />

64

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Mit dem Lexus RX400h brachte Toyota das erste Hybrid-SUV im Juni 2005 in<br />

den Automobilmarkt<br />

Quelle: Toyota, ADL Research<br />

Lexus RX400h<br />

Erläuterungen<br />

� Als Antriebsquelle dienen ein V6-<br />

Benzinmotor <strong>und</strong> zwei Elektromotoren – einer<br />

davon treibt bei Bedarf die Hinterachse an –<br />

<strong>und</strong> ein 3,3 Liter V6-Benzin-Motor als<br />

Antriebsquelle<br />

� Damit erhält man eine Leistung von 200<br />

kW(270 PS) <strong>und</strong> einen Beschleunigungswert<br />

von 7,6 s von 0 – 100 km/h<br />

� Der Kraftstoffverbrauch von 8,1 Liter / 100<br />

km überschreitet dabei nicht den<br />

Durchschnittsverbrauch eines Mittelklassewagens<br />

65

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Der US-<strong>Markt</strong> erfährt in den nächsten 3 Jahren eine erhebliche Ausweitung<br />

des Modellangebots – 21 neue Hybrid-Fahrzeuge werden in den <strong>Markt</strong><br />

gebracht<br />

MH Mild Hybrid<br />

FH Full Hybrid<br />

Lim Limusine<br />

Honda Insight<br />

MH 19 180<br />

Roadmap Hybridfahrzeuge (US-<strong>Markt</strong>)<br />

Toyota Prius<br />

FH 20 875<br />

Honda Civic<br />

Hybrid<br />

MH 19 800<br />

Ford Escape<br />

Hybrid<br />

FH 26 970<br />

Honda Accord<br />

Hybrid<br />

MH 29 900<br />

Toyota Lexus<br />

RX 40<br />

FH SUV<br />

Toyota<br />

Highlander<br />

FH SUV<br />

GM Saturn<br />

VLIE<br />

FH SUV<br />

Mazda Tribute<br />

FH SUV<br />

Ford Mercury<br />

FH SUV<br />

GM Chevrolet<br />

Silverado<br />

MH Pick-up<br />

Chrysler Ram<br />

Dodge<br />

MH Pick-up<br />

Nissan Altima<br />

FH Lim<br />

Toyota C??ry<br />

FH Lim<br />

Toyota Lexus<br />

GS<br />

FH Lim<br />

Ford Explorer<br />

Sport Trac<br />

FH SUV<br />

Ford Fusion<br />

MH Lim<br />

Toyota Lexus<br />

LS<br />

FH Lim<br />

Chrysler Dodge<br />

Durango<br />

MH SUV<br />

GMC Yukon<br />

FH SUV<br />

GM Chevrolet<br />

Tahoe<br />

FH SUV<br />

Porsche<br />

Cayenne<br />

FH SUV<br />

GMC Sierra<br />

FH Pick-up<br />

Toyota Sienna<br />

(Van)<br />

FH Van<br />

Toyota Corolla<br />

FH Lim<br />

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009<br />

Quelle: B&D-Forecast; ATZ 2005; ADL Recherche<br />

GM Chevrolet<br />

Malibu<br />

MH Lim<br />

Kommentar<br />

� Das derzeitige Hybrid-Angebot in<br />

den USA ist mit 4 Modellen noch am<br />

Anfang<br />

� <strong>Markt</strong>führer Toyota plant von jedem<br />

zukünftigen Serienmodell,<br />

mindestens eine Hybridversion an<br />

den <strong>Markt</strong> zubringen<br />

� Derzeit werden von Toyota parallel<br />

zehn Hybrid-Modelle, welche in den<br />

nächsten Jahren auf den <strong>Markt</strong><br />

kommen<br />

� Überlegungen bei Toyota für eine<br />

US-Produktion sind in Gange <strong>und</strong><br />

werden wahrscheinlich 2006/2007<br />

realisiert<br />

66

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Auch BMW setzt auf den Hybridantrieb <strong>und</strong> beteiligt sich an der Hybrid-<br />

Allianz von DaimlerChrysler <strong>und</strong> GM - erste marktfähige Hybridmodelle will<br />

BMW in 5-7 Jahren auf den <strong>Markt</strong> bringen<br />

Quelle: ADL Research<br />

Roadmap europäischer OEM für die<br />

<strong>Markt</strong>einführung von Hybridmodellen<br />

Geländewagenmodell<br />

von DaimlerChrysler<br />

<strong>und</strong> GM<br />

Audi Q7<br />

DaimlerChrysler<br />

M-Klasse<br />

VW Touran<br />

Porsche<br />

Cayenne<br />

BMW X5<br />

2006 2007 2008 2009 2010<br />

Erläuterungen<br />

� BMW trat der Hybrid-Entwicklungsallianz<br />

von DaimlerChrysler mit GM bei<br />

� BMW geht davon aus, dass in 5 Jahren<br />

jeder Autohersteller ein Hybridfahrzeug<br />

in seiner Fahrzeug-flotte hat. Bei BMW<br />

selbst befindet sich das Hybridkonzept<br />

noch in der Vorentwicklungsphase<br />

� Erst in 5-8 Jahren will BMW mit einem<br />

eigenen Hybridfahrzeug in den <strong>Markt</strong><br />

kommen<br />

� DaimlerChrysler <strong>und</strong> GM werden<br />

bereits 2007 einen gemeinsam<br />

entwickelten Geländewagen auf dem<br />

<strong>Markt</strong> bringen<br />

� Porsche will K<strong>und</strong>en den Cayenne als<br />

Hybrid-Version anbieten<br />

� Audi bringt ab 2007 den SUV Q7 als<br />

Hybrid-Version auf den US-<strong>Markt</strong><br />

67

Alternative Antriebe – Hybridantrieb 5.1<br />

Full-Hybridfahrzeuge werden zukünftig den größten <strong>Markt</strong>anteil an Hybridfahrzeugen<br />

einnehmen<br />

[Mio]<br />

USA<br />

Vehicle Production (World)<br />

72,0<br />

70,0<br />

68,0<br />

66,0<br />

64,0<br />

62,0<br />

60,0<br />

58,0<br />

56,0<br />

54,0<br />

2006<br />

59,9 Mio<br />

2011 – Hybrid Electric Vehicles<br />

Quelle: ADL Research<br />

2011<br />

64,9 Mio<br />

54%<br />

27%<br />

19%<br />

2015<br />

71,4 Mio<br />

Europa<br />

Japan<br />

2006 – Hybrid Electric Vehicles<br />

USA<br />

USA<br />

Total: 500.000 [units]<br />

60%<br />

15%<br />

25%<br />

Europa<br />

Japan<br />

2015 – Hybrid Electric Vehicles<br />

Total: 2,8 Mio [units] Total: 6 Mio [units]<br />

62%<br />

15%<br />

23%<br />

Europa<br />

Japan<br />

Erläuterungen<br />

� Der Hybrid-Anteil an<br />

Fahrzeugen wird, da von<br />

den OEMs heute <strong>und</strong><br />

morgen als Schlüsselmarkt<br />

gesehen, in den USA weiter<br />

ansteigen<br />

� Der Hybrid-Anteil an<br />

Fahrzeugen wird 2011 auf<br />

2,8 Mio. Einheiten weltweit<br />

ansteigen <strong>und</strong> sich bis 2015<br />

auf 6 Mio. Einheiten<br />

erhöhen<br />

� Nach einer Hype-Phase in<br />

Europa während der Jahre<br />

2006-2011 wird sich danach<br />

die K<strong>und</strong>ennachfrage<br />

merklich abkühlen<br />

68

Agenda<br />

5<br />

Alternative Alternative Antriebe Antriebe<br />

5.1<br />

5.2<br />

Hybridantrieb<br />

Brennstoffzellenantrieb<br />

69

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Die zweite weltweit verfolgte Strategie im Bereich der alternativen Antriebe<br />

stellt die Brennstoffzellentechnik dar<br />

Einsatz der Brennstoffzellentechnologie Erläuterungen<br />

Brennstoffzellenbus von MAN,<br />

die am Münchner Flughafen erprobt werden<br />

umgebaute B-Klasse, mit der eine Verdopplung der<br />

Reichweite erzielt werden kann<br />

Quelle: ADL Research MAN, DaimlerChrysler<br />

� Zu Beginn der 1990er wurden die Polymer Electrolyte<br />

Membrane (PEM)-Brennstoffzelle entwickelt <strong>und</strong><br />

getestet<br />

� DaimlerChrysler war Vorreiter in der Brennstoffzellentechnik<br />

<strong>und</strong> brachte mit dem NECAR 1 auch<br />

das erste Prototypenfahrzeug in Brennstoffzellentechnik<br />

auf den <strong>Markt</strong>. Mittlerweile existiert bereits<br />

NECAR 5<br />

� DaimlerChrysler hat angekündigt bis 2012 die<br />

Brennstoffzellen-Technik serienreif zu machen<br />

� Bis 2015 will DaimlerChrysler einen Absatz von ca.<br />

100 000 schadstofflosen Fahrzeugen erreichen. Dazu<br />

wird demnächst eine neue Serie, die B-Klasse den<br />

Antrieb einsetzen<br />

�Verdopplung der Reichweite auf 400 km<br />

70

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Das Brennstoffzellensystem ist das Kernelement für die Erzeugung des<br />

Wasserdampf-Luftgemisches<br />

Aufbau des Brennstoffzellensystems Erläuterungen<br />

Brennstoff-Zellen-Stack<br />

Quelle: ADL Research<br />

Schraubenverdichter<br />

Fahrmotor<br />

� Brennstoffzellen-Stack<br />

– aufgebaut aus 200 Einzel-Brennstoffzellen (PEM),<br />

die elektrisch in Reihe geschaltet sind<br />

�liefert bei 80°C eine Dauerleistung von bis zu 94<br />

kW<br />

� Sauerstoff-Versorgung<br />

– mit Hilfe eines Kompressors wird die benötigte Luft<br />

verdichtet<br />

�relative Luftfeuchte wird erhöht<br />

�externe Befeuchtungseinheit unnötig<br />

� Wasserstoff-Versorgung<br />

– befördert den Wasserstoff vom Tank zum<br />

Brennstoffzellensystem<br />

� <strong>Leistungselektronik</strong><br />

– transformiert die Spannung des Brennstoffzellen-<br />

Stacks auf Werte zwischen 250 <strong>und</strong> 380 V.<br />

71

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Ebenso wie bei den restlichen Antriebsarten nimmt die Bedeutung von<br />

<strong>Leistungselektronik</strong> im Brennstoffzellenfahrzeug rasant zu<br />

Quelle: Pierburg<br />

<strong>Leistungselektronik</strong><br />

im Brennstoffzellenfahrzeug<br />

Erläuterungen<br />

� Ähnlich wie beim Hybridantrieb <strong>und</strong> den<br />

konventionellen Antrieben ist auch im Brennstoffzellenantrieb<br />

die Anzahl an <strong>Leistungselektronik</strong><br />

stark zunehmend:<br />

– Ventilen (für Luft <strong>und</strong> Wasserstoff)<br />

– Gebläsen (Wasserstoff-<br />

Rezirkulierungsgebläse)<br />

– Sensoren (Wasserstoffsensoren)<br />

– Kompressoren<br />

– Pumpen (Wasserpumpen)<br />

72

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

BMW ersetzte die herkömmliche Batterie durch die Auxiliary Power Unit<br />

(APU) womit eine auf Brennstoffzellenbasis motorunabhängige<br />

Stromversorgung des Bordnetzes ermöglicht wird<br />

Quelle: BMW, Webasto<br />

APU (Auxiliary Power Unit) Erläuterungen<br />

� BMW stellte bereits 2001 eine APU zur Versorgung<br />

der Zusatzfunktionen wie Telematik, Komfort,<br />

Entertainment <strong>und</strong> x-by-wire im 7er BMW vor<br />

� Der Einsatz von APUs kann laut Herstellerangaben<br />

den Kraftstoffverbrauch um bis zu 1L/100km senken<br />

� Eine Serieneinführung von APUs wurde bisher<br />

wegen der mangelnden Lebensdauer <strong>und</strong><br />

Zuverlässigkeit von keinem Automobilhersteller<br />

angekündigt<br />

� Die <strong>Leistungselektronik</strong> steuert das Zu- <strong>und</strong><br />

Abschalten der APU <strong>und</strong> das Hinzuschalten des<br />

Generators für die Rekuperation von Bremsenergie<br />

� Primärer Einsatzbereich der APUs sind v.a. der<br />

Idling-Modus zur Onboard-Versorgung von NFZen<br />

bzw. im Freizeitbereich<br />

73

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Bis 2020 will BMW den Großteil seiner Fahrzeugflotte auf den<br />

Wasserstoffantrieb umrüsten<br />

Quelle: BMW, ADL Research<br />

Clean Energy WorldTour Erläuterungen<br />

� BMW wirbt mit dem Clean-Energy Projekt<br />

um Akzeptanz auf Politik <strong>und</strong> K<strong>und</strong>enebene<br />

� Dabei wurde für Technologieakzeptanz auf<br />

Politik- <strong>und</strong> K<strong>und</strong>enebene geworben.<br />

� Dabei wurden strategisch wichtige Ziele wie<br />

Brüssel, Mailand, Tokio <strong>und</strong> Los Angeles<br />

besucht<br />

� BMW selbst hat sich zum Ziel gesetzt bis<br />

2010 europaweit ein Netz von Wasserstofftankstellen<br />

aufzubauen<br />

� Bis 2020 will BMW den Großteil der<br />

Fahrzeugflotte auf den umweltschonenden<br />

Wasserstoffantrieb umrüsten<br />

74

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

CaFCP, eine weltweite Zusammenarbeit zwischen Automobilkonzernen,<br />

Treibstoff-Lieferanten, Brennstoffzellenherstellern <strong>und</strong> US-Regierungsvertretern<br />

hat zum Ziel den Brennstoffzellenantrieb zur Antriebstechnik des<br />

21. Jahrh<strong>und</strong>erts machen<br />

Califonia Fuel Cell Partnership (CaFCP) Erläuterungen<br />

Quelle: ADL Research<br />

� CaFCP besteht aus namhaften Firmen der Automobil<strong>und</strong><br />

Erdölbranche: DaimlerChrysler, Ford, Exxon Mobil<br />

BP, Toyota; ergänzt durch US-Regierungsvertretern<br />

� Ihr Ziel ist es die Brennstoffzellentechnik zur<br />

Antriebstechnik des 21. Jahrh<strong>und</strong>erts zu machen. Dabei<br />

werden folgende Maßnahmen umgesetzt:<br />

– Erprobung <strong>und</strong> Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie<br />

durch Tests unter realen<br />

Bedingungen<br />

– Planung einer Infrastruktur für Wasserstoffgewinnung<br />

<strong>und</strong> Verteilung<br />

– Technologiebewertung <strong>und</strong> Erstellung einer Roadmap,<br />

um die Brennstoffzellentechnologie serienreif zu<br />

machen<br />

– Marketing <strong>und</strong> Promotion Tours, um Akzeptanz bei<br />

der künftigen K<strong>und</strong>en zu erhalten<br />

75

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Mit dem Ford Focus FCV wurden Brennstoffzellenantriebe in den USA<br />

bereits ausführlich getestet<br />

Quelle: Ford, ADL Research<br />

Ford Focus FCV Erläuterungen<br />

� In Zusammenarbeit mit Ballard Power<br />

Systems Canada entwickelte Ford den Focus<br />

FCV (Full Cell Vehicle)<br />

� Betankung erfolgt mit auf 250 bar<br />

komprimierten Wasserstoff <strong>und</strong> erreicht dabei<br />

eine Reichweite von 160 km<br />

� Trotz des hohen Gewichts 1727 kg erreicht<br />

der FOCUS FCV eine Höchstgeschwindigkeit<br />

von 130 km/h<br />

76

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Bereits 1994 wurde von Mercedes das brennstoffzellenbetriebene <strong>und</strong> somit<br />

emissionsfreie NECAR 1 vorgestellt<br />

Quelle: DaimlerChrysler<br />

NECAR Erläuterungen<br />

� 2010 soll laut Ballard die Brennstoffzelle bereit<br />

für den Serieneinsatz sein<br />

� Bis zum Jahr 2007 werden in Asien,<br />

Nordamerika <strong>und</strong> Europa 60 F-Cell A-Klassen<br />

erprobt<br />

� Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen von<br />

ca. 80°C Um diese zu erreichen muss die Zelle<br />

beim Motorstart geheizt <strong>und</strong> später im Betrieb<br />

dann gekühlt werden<br />

� Der hohe Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann<br />

auch zur Innenraumheizung genutzt werden<br />

� Der Asynchronmotor mit integrierter<br />

<strong>Leistungselektronik</strong> für den NECAR 5 ist leichter<br />

<strong>und</strong> kostengünstiger als das Modul seines<br />

technologischen Vorgängers NECAR 3<br />

77

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Mit dem deutsch-amerikanischen Global Alternative Propulsion Center<br />

wurden die Entwicklungsarbeiten von Opel <strong>und</strong> General Motors auf dem<br />

Gebiet der Brennstoffzellen forciert<br />

Quelle: Opel, ADL Research<br />

Opel HydroGen Serie Erläuterungen<br />

� Mit insgesamt 250 Mitarbeitern werden die<br />

Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der<br />

Brennstoffzellentechnologie vorangetrieben<br />

� Mit dem HydroGen1 konnten im Jahre 2000 die<br />

ersten vorzeigbaren Ergebnisse auf dem Genfer<br />

Automobilsalon der Öffentlichkeit präsentiert werden<br />

� Nach dem Umrichten von Gleichspannung auf<br />

Wechselspannung wird die Spannung einem<br />

Drehstrom-Elektromotor zugeführt, der den Wagen<br />

dann mit 55 kW antreibt<br />

� Die Brennstoffzelle selbst besitzt eine Leistung von<br />

80 kW<br />

� Mit dem Opel HydroGen3 wurden einige<br />

Bauteileeinsparungen erzielt, z.B. konnte auf die<br />

Batterie verzichtet werden <strong>und</strong> damit eine erhebliche<br />

Gewichtsreduktion erreicht werden<br />

78

Alternative Antriebe – Brennstoffzellenantrieb 5.2<br />

Eine große Herausforderung, die maßgeblich den Erfolg dieser Antriebsart<br />

bestimmen wird, ist der Aufbau einer wirtschaftlich sinnvollen Infrastruktur<br />

für die Gewinnung von Wasserstoff<br />

Quelle: ADL Research<br />

Wasserstofftankstellen Erläuterungen<br />

� Ein Konsortium aus Staat <strong>und</strong> Industrieermöglichte den<br />

Bau der weltweit ersten Wasserstofftankstelle<br />

� Mit Hilfe eines Tankroboters wird eine vollautomatische<br />

Betankung der Fahrzeuge mit Wasserstoff gewährleistet<br />

� Mit einem Elektrolyseur wird der gasförmige Wasserstoff<br />

direkt vor Ort hergestellt<br />

� Nachdem der gasförmige Wasserstoff gereinigt <strong>und</strong><br />

getrocknet wurde, kann er in den Metallhydridspeicher<br />

gegeben werden<br />

� In der Betankungsphase wird die Temperatur des<br />

eingeleiteten Wasserstoffs stets gering gehalten (ca.<br />

5°C)<br />

� Unabhängig von der Weiterentwicklung der<br />

Antriebstechnik muss auch dieses Infrastruktursystem<br />

erweitert <strong>und</strong> flächendeckend aufgebaut werden kann<br />

� Erst dann ist es möglich die Brennstoffzellentechnologie<br />

als Serienfahrzeug zu nutzen<br />

79

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

80

Energiemanagement 6<br />

Eine weitere Zunahme des Leistungsbedarfs der Fahrzeuge ist mit den<br />

derzeit bestehenden Energiemanagement-Konzepten limitiert<br />

Energieversorgung (W): Welche Leistungen werden benötigt?<br />

Motormanagement<br />

Kraftstoff-Einspritzung<br />

Kraftstoffpumpe<br />

Abblendlicht<br />

Scheinwerfer-Waschanlage<br />

Nebelscheinwerfer<br />

Bremslicht<br />

Nebelschlussleuchte<br />

Scheibenwischer<br />

Heizbare Waschdüsen<br />

Heckscheibenwischer<br />

Heizbare Heckscheibe<br />

Gebläse<br />

Sitzheizung<br />

Radio <strong>und</strong> CD-Wechsler<br />

Telefon<br />

Katalysatorheizung<br />

Elektromagnetische<br />

Ventilsteuerung<br />

El. Kühlerlüfter<br />

El. Wasserpumpe<br />

Elektrohydraulische<br />

Servolenkung<br />

El. Klimakompressor<br />

Elektromechanische Bremse<br />

Elektr. Frontscheibenheizung<br />

Quelle: ADL Research<br />

15<br />

40<br />

40<br />

40<br />

60<br />

100<br />

80<br />

80<br />

80 90<br />

80<br />

100<br />

100<br />

150<br />

150<br />

Leistungsbedarf neuer Verbraucher (W)<br />

20-40<br />

400<br />

200<br />

800<br />

70-80600<br />

200<br />

1000<br />

1.000<br />

1.400<br />

2.000<br />

2.500<br />

2.000<br />

3.200<br />

220<br />

∑ 1.455 W<br />

3.400<br />

Spitzenleistung<br />

Mittlere Leistung<br />

4.000<br />

Elektr. Leistung (W)<br />

3,000<br />

2,500<br />

2,000<br />

1,500<br />

1,000<br />

Zunahme der mittleren elektrischen Leistung im Fahrzeug<br />

500<br />

0<br />

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010<br />

Aktuelle Situation - Energiemanagement<br />

� Der durchschnittliche Leistungsbedarf beträgt heute ca. 2,5 kW; er<br />

hat sich seit 1985 verdreifacht<br />

� Bei Modellen der Oberklasse beträgt heute bereits die<br />

Leistungsanforderung während der Startphase bis zu 8 kW<br />

� K<strong>und</strong>enanforderungen in den Bereichen Sicherheit, höherer Komfort<br />

<strong>und</strong> einfachere Handhabung verstärken diesen Trend noch<br />

� Neue Konzepte bezgl. einem intelligenten Energie-Management sind<br />

somit zwangsläufig zu erarbeiten<br />

� Der Leistungsbedarf'von morgen' wird durch das zukünftige Antriebskonzept<br />

des Fahrzeugs bestimmt<br />

81

Energiemanagement 6<br />

Derzeit werden mehrere Lösungsansätze auch in Kombination in neuen<br />

Fahrzeugmodellen eingesetzt<br />

Maßnahmen zur Kompensation des zunehmenden Leistungsbedarfs<br />

� Einsatz von 2-Batterie-Systeme (Starterbatterie/Bordnetzbatterie): Eine Batterie (im<br />

Motorraum) ist ausschließlich für das Anlassen des Motors zuständig, während die<br />

zweite Batterie im Kofferraum die elektrischen/elektronischen Leistungsverbraucher<br />

versorgt<br />

� Beispiel: Phaeton, Mercedes SL<br />

� Einsatz von Zweikreis-Systemen über DC/DC-Wandler (mit 14V <strong>und</strong> mit xV<br />

Spannungsversorgung)<br />

� Beispiel: Elektr. Frontscheibenheizung (Audi A8) wird auf 42 V-Basis betrieben<br />

(Leistungsaufnahme 1000 W; Spitzenlast 1400 W); als Heizelement dient eine dünne<br />

Metallfolie zwischen Innen- <strong>und</strong> Aussenglas<br />

� Einsatz von software-basierten 'Intelligent Power Management Systemen' zur<br />

kontinuierlichen Bewertung, Priorisierung <strong>und</strong> ggf. Abschaltung von Verbrauchern<br />

� Beispiel: Energiemanagement-Steuergerät von Bosch<br />

Das Steuergerät ist zuständig für die Regelung der kompletten Bordnetzenergie; u.a.<br />

verantwortlich für die vorausschauende Batteriediagnose <strong>und</strong> die Energiekoordination<br />

für die Verbraucher<br />

Quelle: DaimlerChrysler, Bosch, ADL Research<br />

82

Energiemanagement 6<br />

Das immer komplexer werdende Zusammenspiel von Leistungsverbrauchern<br />

im Kraftfahrzeug erfordert ein übergreifendes Elektronisches<br />

Energiemanagementsystem (EEM)<br />

EEM<br />

Quelle: Bosch<br />

Elektronisches Energiemanagementsystem<br />

Fahrzeugbetriebszustand Strategie der Koordination<br />

Batteriemanagement<br />

Energie-Koordinator<br />

Last-/<br />

Ruhestrommanagement<br />

Generatormanagement<br />

Schnittstelle<br />

zu anderen<br />

Systemen<br />

� Klima-SG<br />

� Motorelektronik<br />

� Gateway<br />

� Relais<br />

� DC/DC-Konverter<br />

Erläuterungen<br />

� Um die steigende Anzahl an Verbrauchern<br />

im Kfz-Bereich in<br />

technisch <strong>und</strong> ökonomisch<br />

sinnvollem Maße versorgen zu<br />

können, kommt ein strukturiert<br />

aufgebautes Energiemanagementsystem<br />

zum Einsatz<br />

� Dieses ermöglicht es, über eine<br />

Analyse des Fahrbetriebszustandes<br />

das Batterie-,<br />

Verbraucher- <strong>und</strong> Generatormanagement<br />

zu koordinieren<br />

83

Agenda<br />

6<br />

6.1<br />

6.2<br />

6.3<br />

6.4<br />

Energiemanagement<br />

Energiespeichertechnologie<br />

Batteriemanagement<br />

Generatormanagement<br />

Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement<br />

84

Energiemanagement – Energiespeichertechnologie<br />

Li-Ionen-Batterien <strong>und</strong> Ultracaps sind derzeit die Energiespeichermedien mit<br />

dem höchsten Entwicklungspotenzial<br />

Haupteigenschaften<br />

Quelle: ADL Research<br />

Übersicht der gängigen Energiespeichermedien im Kfz-Bereich<br />

NiMH NaNiCl Li-Ion<br />

Ultracaps<br />

� hohe<br />

Leistungsfähigkeit<br />

� hohe Zyklusfestigkeit<br />

� niedriger<br />

Innenwiderstand<br />

� hohe Rohstoffkosten<br />

� hohe Selbstentladung<br />

� hohe Energiedichte<br />

� mittlere<br />

Zyklusfestigkeit<br />

� niedriger<br />

Innenwiderstand<br />

� Hochtemperatur-<br />

Batterie<br />

� hohe Energiedichte<br />

� hohe Leistungsfähigkeit<br />

� sehr niedriger Innenwiderstand<br />

� hohe Zellspannung<br />

� mittlere bis hohe Zyklusfestigkeit<br />

� hoher Zell-<br />

Überwachungsaufwand<br />

� extrem hohe<br />

Leistungsfähigkeit<br />

� extrem hohe Zyklusfestigkeit<br />

� sehr niedriger Innenwiderstand<br />

� nahezu wartungsfrei<br />

� niedrige Energiedichte<br />

Entwicklungspotenzial mittleres Potenzial mittleres Potenzial hohes Potenzial hohes Potenzial<br />

Verfügbarkeit ja ja Prototypen Prototypen<br />

Erläuterungen<br />

� Um die Entwicklung auf dem Gebiet der NiMH-Batterien voranzutreiben ging Toyota mit Matsushita eine strategische Allianz ein.<br />

� Daraus entstand 1996 ein Joint-Venture unter dem Namen Panasonic EV Energy (PEVE), das bereits 1997 eine Fertigungslinie für eine<br />

Kapazität von 300.000 Zellen monatlich bereitstellte <strong>und</strong> sich frühzeitig Verkaufsrechte sicherte, die bis ins Jahr 2014 hineinreichen.<br />

6.1<br />

85

Energiemanagement – Energiespeichertechnologie 6.1<br />

Eine Kombination von Supercaps <strong>und</strong> Batterie ist die Energieressourcen im<br />

Fahrzeug optimal nutzen zu können<br />

Supercaps + Batterie Erläuterungen<br />

Quelle: Siemens VDO, Dietrich Naunin; Hybrid-, Batterie- <strong>und</strong> Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge<br />

� Ein wichtiger Ansatzpunkt, um das Batteriesystem<br />

zu schonen, ist der Einsatz von<br />

Super-Caps<br />

� Sämtliche Spitzenlasten werden durch<br />

Supercaps abgedeckt; die niedrigen<br />

Durchschnittslasten werden der Batterie<br />

entnommen<br />

� Der Einsatz von SuperCaps bewirkt eine<br />

bessere Fahrleistung:<br />

– Die Reichweite nimmt um mehr als 20% zu<br />

– Die Beschleunigungswerte steigen um bis<br />

zu 15 % an<br />

86

Energiemanagement – Energiespeichertechnologie 6.1<br />

Supercaps speichern die beim Bremsen freiwerdende Energie<br />

Battery SOC<br />

UltraCap SOC<br />

Quelle: PSI<br />

VW Bora HY-Power Erläuterungen<br />

v = 0<br />

Beschleunigung<br />

v = max<br />

Bremsen<br />

BAT<br />

CAP<br />

t<br />

Energieflüsse beim Betrieb Batterie + Supercap<br />

� Der eingesetzte Supercap in dem<br />

Brennstoffzellenfahrzeug VW-Bora HY-Power<br />

erhöht die Motorleistung kurzfristig von 30 auf<br />

75 kW<br />

� Die Lade- <strong>und</strong> Entladewirkungsgrade des<br />

eingesetzten Supercaps liegen deutlich über<br />

90%<br />

� Siemens VDO rechnet ab 2010 mit der<br />

serienmäßigen Einführung von Supercaps-<br />

Technologien<br />

� Die Regelung der Leistungsflüsse zwischen<br />

den Supercaps <strong>und</strong> den angrenzenden<br />

Bauteilen erfordert eine Stromregelung bei<br />

verschiedenen Niveaus<br />

87

Energiemanagement – Energiespeichertechnologie 6.1<br />

Li-Ionen-Batterien werden in naher Zukunft vermehrt an Bedeutung<br />

gewinnen – dabei wird sich die Batterie zum Komplettsystem aus<br />

Energiequelle <strong>und</strong> Diagnoseelektronik entwickeln<br />

Ausblick<br />

� Nickel-Metallhydrid- (kurzfristig) <strong>und</strong> Li-Ionen-Batterien (langfristig) spielen in Zukunft eine<br />

entscheidende Rolle<br />

� Ab 2008 werden die ersten Li-Ionen-Batterien in Serie. Die aktuellen Herstellkosten haben bisher<br />

den Einsatz als Massenanwendung verhindert, durch Skaleneffekte wird dies aber ab 2008/2009<br />

kompensiert werden<br />

� Ni-Cd-Batterien werden dagegen wegen den steigenden Umweltauflagen vom <strong>Markt</strong> gedrängt<br />

� Die Möglichkeiten von Supercaps als alleinigen Energiepuffer einzusetzen sind eingeschränkt,<br />

deshalb besteht ein zukünftiges Energiespeicher-Konzept immer aus der Kombination von Batterie<br />

<strong>und</strong> Supercaps<br />

� Eine finales serienfähiges Energiespeicher-Konzept ist derzeit am <strong>Markt</strong> nicht erkennbar<br />

88

Agenda<br />

6<br />

6.1<br />

6.2<br />

6.3<br />

6.4<br />

Energiemanagement<br />

Energiespeichertechnologie<br />

Batteriemanagement<br />

Generatormanagement<br />

Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement<br />

89

Energiemanagement – Batteriemanagement 6.2<br />

Dem Batteriemanagement kommt im Energiemanagementsystem eine<br />

herausragende Bedeutung zu<br />

State of Charge<br />

(SOC)<br />

Quelle: Bosch, Siemens VDO<br />

Batteriemanagement<br />

State of Health<br />

(SOH)<br />

Batteriemanagement<br />

State of Function<br />

(SOF)<br />

� Steuergerät:<br />

– Batterietemperatur<br />

– Batteriespannung<br />

– Batteriestrom<br />

Erläuterungen<br />

� Oberstes Ziel des<br />

Batteriemanagementsystems ist es<br />

eine ökonomisch sinnvolle Verteilung<br />

der vorhandenen Energie zu<br />

gewährleisten<br />

� Dies ist dann der Fall, wenn selbst<br />

das schwächste Modul einen<br />

zufrieden stellenden Betrieb aufweist<br />

� Aus diesem Betriebszustand lassen<br />

sich entsprechende Verbesserungen<br />

für das Gesamtsystem ableiten:<br />

– Erhöhung der Lebensdauer<br />

– Erhöhung der Zuverlässigkeit<br />

– Erhöhung der Wirtschaftlichkeit<br />

90

Energiemanagement – Batteriemanagement 6.2<br />

Der intelligente Batteriesensor bildet die Gr<strong>und</strong>lage für die Ermittlung des<br />

Batteriezustandes<br />

Intelligenter Batteriesensor + Powermodul Erläuterungen<br />

Intelligenter Batteriesensor<br />

Quelle: Hella<br />

Powermodul<br />

� Das Sensorkonzept arbeitet unabhängig von<br />

elektronischer Ausstattungsrate <strong>und</strong><br />

Fahrzeugbatterie<br />

� Es ist eine genaue Bestimmung von Strom,<br />

Spannung <strong>und</strong> Temperatur der Batterie<br />

möglich<br />

� Daraus kann die verfügbare Kapazität<br />

ermittelt werden<br />

� Die Zuverlässigkeit des Bordnetzes <strong>und</strong> die<br />

Sicherheit kann somit gesteigert werden<br />

� Das Powermodul trägt zur Optimierung des<br />

Energiehaushalts <strong>und</strong> des Ladezustands der<br />

Batterie bei<br />

91

Energiemanagement – Batteriemanagement 6.2<br />

Durch den immer größer werdenden Energiebedarf im Fahrzeug steigt der<br />

Bedarf an einem elektronisch gesteuerten Bordenergiemanagement<br />

Batterie inkl. Mikroelektronik-Einheit Erläuterungen<br />

Quelle: IQ-Power<br />

� Die Anforderungen an das Energie-Bordnetz<br />

steigen mit dem vermehrten Einsatz neuer<br />

mechatronischer Systeme<br />

� Die Batterie bisher eine preisgünstige<br />

Commodity mit konventioneller Energiespeichertechnologie<br />

entwickelt sich hier zu<br />

einem intelligenten Gesamtsystem<br />

� Verbesserung der Gesamtperformance durch<br />

Ausschaltung negativer Einflüsse<br />

(Säureschichtung, Temperatur)<br />

� Problem der Säureschichtung wird durch<br />

Strömungskanäle in den Batteriekammern<br />

gelöst<br />

� Eine kleine Mikroelektronik-Einheit ist direkt<br />

mit der Batterie verb<strong>und</strong>en<br />

92

Energiemanagement – Batteriemanagement 6.2<br />

Ein Komplettsystem für das Batteriemanagement bietet u.a. Delphi für<br />

Hybridfahrzeuge an<br />

Batteriemanagement im Hybridfahrzeug Erläuterungen<br />

Quelle: DENSO<br />

� Battery ECU<br />

– Nimmt die Sollwerte der Batterie auf.<br />

� DC-DC Connector<br />

– Dient primär als Spannungswandler<br />

(200 V -> 12 V)<br />

� CO2 Air-Conditioning-System<br />

93

Agenda<br />

6<br />

6.1<br />

6.2<br />

6.3<br />

6.4<br />

Energiemanagement<br />

Energiespeichertechnologie<br />

Batteriemanagement<br />

Generatormanagement<br />

Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement<br />

94

Energiemanagement – Generatormanagement 6.3<br />

Ein effizientes Motormanagement basiert auf einem Generatormanagement,<br />

welches das Zusammenspiel zwischen Verbrennungsmotor <strong>und</strong> Generator<br />

koordiniert<br />

Quelle: Bosch<br />

Generatordaten<br />

Generatormanagement Erläuterungen<br />

Ford Focus FCV<br />

Einstellparameter<br />

� Mit Hilfe der <strong>Leistungselektronik</strong> werden die<br />

zur Steuerung notwendigen Generatordaten<br />

(Drehmoment, Leistung, Reserve)<br />

aufgenommen<br />

� Daraus werden die Einstellparameter des<br />

Generatorreglers generiert (u.a. der Sollwert<br />

für die Generatorspannung)<br />

� Damit lässt sich das Motormanagement<br />

optimieren; des weiteren wird eine zügigere<br />

Wiederaufladung der Batterie ermöglicht<br />

95

Agenda<br />

6<br />

6.1<br />

6.2<br />

6.3<br />

6.4<br />

Energiemanagement<br />

Energiespeichertechnologie<br />

Batteriemanagement<br />

Generatormanagement<br />

Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement<br />

96

Energiemanagement – Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement 6.4<br />

Das Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement von Bosch stellt die Energieversorgung<br />

während Fahrzeugstillstand, sowie Start nach längerer Standzeit sicher<br />

Ruhestrom<br />

[mA]<br />

Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement Erläuterungen<br />

25<br />

20<br />

15<br />

10<br />

5<br />

0<br />

Quelle: VW, ADL Recherche<br />

Golf I Golf II Golf III Golf IV Golf V<br />

8,3 mA 16,2 mA 15,4 mA<br />

10,5 mA 21,3 mA<br />

Trotz steigender Komplexität in den Kfz-Elektronik-<br />

Architekturen sind erste Anzeichen erkennbar, daß<br />

beim Ruhestrom-Management eine Trendwende sich<br />

abzeichnet<br />

� Bei der Vielzahl der eingebauten Steuergeräte ist ein<br />

effizientes Last- <strong>und</strong> Ruhestrommanagement<br />

erforderlich<br />

� Abdeckung des elektrischen Leistungsbedarfs im<br />

Fahrzeug-Stillstand:<br />

– Gebläse<br />

– Infotainment/Telematik<br />

– Sitzheizung<br />

– Fahrzeugentriegelung<br />

� Das Laststrommanagement übernimmt folgende<br />

Aufgaben<br />

- Koordination des Zu- <strong>und</strong> Abschaltens der<br />

Verbraucher<br />

- Priorisierung der Verbraucher<br />

97

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

98

Bordnetze 7<br />

Ab 2010 werden es Bussysteme auch ermöglichen, dass Fahrzeuge nicht nur<br />

untereinander kommunizieren, sondern auch mit ihrer Umwelt Informationen<br />

austauschen können<br />

Trends Automotive Networking bis 2010<br />

Durch die Kombination <strong>und</strong> Weiterentwicklung der<br />

Bereiche Mechanik + Elektronik + Software<br />

���� sicherheitstechnische + ökologische + ökonomische Gesichtspunkte<br />

können dadurch besser miteinander vereinbart werden<br />

Einsatz von<br />

Elektronikkomponenten<br />

1980 1990 2000 2010<br />

Quelle: Bosch, FHT Esslingen<br />

Integration von<br />

Electronic Control<br />

Units<br />

(ECU)<br />

Kommunikation<br />

zwischen den<br />

ECUs<br />

Kommunikation<br />

zwischen den<br />

Fahrzeugen <strong>und</strong><br />

ihrer Umwelt<br />

Erläuterungen<br />

� Die hierarchische Buskommunikation<br />

wird in Zukunft noch weiter ausgebaut<br />

werden<br />

� Somit werden mehrere Kommunikationsebenen<br />

ermöglicht:<br />

�innerhalb <strong>und</strong> zwischen den<br />

Fahrzeugen eines Herstellers<br />

�zwischen den Fahrzeugen<br />

verschiedener Hersteller<br />

�mit der restlichen Umgebung<br />

� Um die notwendigen Standards für diese<br />

Entwicklungen zu schaffen wurde das<br />

car2car-Konsortium gegründet<br />

99

Agenda<br />

7<br />

7.1<br />

7.2<br />

Bordnetze<br />

Anordnung Bordnetz & Steuergeräte<br />

Zukünftige System-Architekturen<br />

100

Bordnetze – Anordnung Bordnetz & Steuergeräte 7.1<br />

Durch eine gezielte Trennung von Energieführung <strong>und</strong> Signalbereich werden<br />

Signalstörungen vermieden<br />

Bordnetzaufteilung Erläuterungen<br />

Quelle: Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG<br />

� Um Signalstörungen durch elektromagnetische<br />

Wechselwirkung zu vermeiden<br />

werden Energieführung <strong>und</strong> Signalbereich<br />

örtlich voneinander getrennt:<br />

�rechter Bauraum: Energieführung<br />

�linker Bauraum: Signalbereich<br />

� Diese Unterteilung wirkt sich entsprechend<br />

auf die Anordnung der Steuergeräte aus.<br />

� Es werden zwei Ansätze verfolgt:<br />

�zentrale Anordnung<br />

�dezentrale Anordnung<br />

101

Bordnetze – Anordnung Bordnetz & Steuergeräte 7.1<br />

Die dezentrale Anordnung der Steuergeräte ermöglicht eine komplette<br />

Aufteilung des Fahrzeugs in einzelne Funktionsmodule<br />

Zentrale Anordnung Erläuterungen<br />

Quelle: Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG<br />

� Beim zentralen Steuergerät, das sich im<br />

Fußraum befindet, werden bis zu 25 Leitungen<br />

einschließlich Bus-Leitungen über die<br />

Türschnittstellen geführt<br />

� Alle Funktionen laufen über das<br />

Zusammenspiel mit der zentralen Steuereinheit<br />

Dezentrale Anordnung Erläuterungen<br />

� Bei der dezentralen Anordnung befindet sich<br />

pro Funktionsblock ein Steuergerät am<br />

jeweiligen Ort<br />

� Bei der Türstruktur bedeutet dies, dass sich in<br />

jeder Türe ein zentrales Steuergerät befindet<br />

102

Bordnetze – Anordnung Bordnetz & Steuergeräte 7.1<br />

Die dezentrale Anordnung der Steuergeräte unterstützt die Aufteilung des<br />

Fahrzeugs in einzelne Module <strong>und</strong> trägt somit auch zur Verschlankung der<br />

Fertigungsprozesse bei<br />

Fahrzeugmodularisierung Erläuterungen<br />

Quelle: Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG<br />

� Das Fahrzeug lässt sich somit in verschiedene<br />

Module aufteilen:<br />

– Türmodul<br />

– Dachmodul<br />

– Cockpitmodul<br />

� Daraus leiten sich Vorteile für die einzelnen<br />

Module ab:<br />

– Verkleinerung der Türtrennstelle<br />

– Volumenminimierung<br />

– Gewichtsreduktion<br />

– Montagevereinfachung<br />

� Somit können komplette autark funktionierende<br />

Module zur Endmontage an den OEM geliefert<br />

werden, was die Fertigungsprozesse enorm<br />

vereinfacht<br />

103

Agenda<br />

7<br />

7.1<br />

7.2<br />

Bordnetze<br />

Bordnetzanordnung<br />

Zukünftige System-Architekturen<br />

104

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.2<br />

Die Anzahl an Steuergeräten nahm in den vergangenen Jahren überproportional<br />

zu<br />

Electronic<br />

Control Unit<br />

Quelle: ADL Research<br />

Erstes Datennetz im Auto (1991) Datennetz im Auto heute<br />

Sensor<br />

S<br />

CAN<br />

ECU<br />

Aktor<br />

ISO 9141<br />

A<br />

S<br />

ECU<br />

A<br />

S<br />

ECU<br />

A<br />

Realzeitdaten<br />

Diagnose<br />

Mercedes hat 1991 drei Steuergeräte für Motor,<br />

Getriebe <strong>und</strong> Armaturenbrett in die S-Klasse<br />

(W140) linienförmig, homogen mit CAN verb<strong>und</strong>en<br />

1991: Anzahl 3 2005: Anzahl 70<br />

A<br />

ECU<br />

ECU<br />

S<br />

LIN,<br />

ISO 9141<br />

CAN low<br />

S<br />

ECU<br />

ECU<br />

A<br />

Multimedia Device<br />

...<br />

MM<br />

MM<br />

GW MOST<br />

...<br />

Prog.-<br />

Port<br />

MM<br />

MM<br />

Body & Convenience Multimedia ...<br />

S<br />

ECU<br />

ECU<br />

Diagnose ...<br />

A<br />

GW<br />

ISO 9141 / CAN<br />

CAN<br />

high<br />

ECU<br />

ECU<br />

Star Coupler<br />

St<br />

Byteflight<br />

ECU ECU ECU<br />

Powertrain passive Safety<br />

Bis heute ist die Anzahl der Steuergeräte im<br />

Kraftfahrzeug auf 70 angestiegen.<br />

105

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.2<br />

Für die Anzahl an Steuergeräten im Fahrzeug zeichnet sich eine Reduzierung<br />

ab; die existierenden, sowie zukünftig neuen Funktionen müssen auf<br />

weniger Steuergeräte verteilt werden<br />

5<br />

25<br />

'95<br />

Quelle: ADL Research<br />

Trend: Entwicklung der<br />

Anzahl Steuergeräte & Funktionen<br />

Anzahl Steuergeräte<br />

Anzahl Funktionen<br />

46<br />

10<br />

20<br />

90<br />

43 45 48 50 55 60 65 65 65 65 60 55<br />

Prognose<br />

145<br />

135<br />

130<br />

125 150<br />

195<br />

190<br />

185<br />

180 180 180<br />

172 175<br />

165 165 168<br />

160<br />

45<br />

35 32 30 25<br />

'96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '11 '12 '13 '14<br />

Erläuterungen<br />

� Die Anzahl an Steuergeräten im Fahrzeug<br />

wird nach kurzer Stagnation in den<br />

kommenden 3-5 Jahren abnehmen<br />

� Die Zielarchitektur 2015 besteht aus ca. 20<br />

Steuergeräten mit ca. 5-7 zentralen Control<br />

Units<br />

� Gesamtanzahl an implementierten<br />

Funktionen pro Fahrzeug wird in den<br />

nächsten 3-5 Jahren nur noch langsam<br />

ansteigen<br />

� Die derzeitige Funktionsvielfalt erfährt eine<br />

Reduktion, um Funktionen ohne<br />

ersichtlichen K<strong>und</strong>ennutzen (Bsp.<br />

individuell einstellbare Fußraumbeleuchtung<br />

pro Fahrgast)<br />

� Eine Zunahme an zusätzlichen Funktionen<br />

ergibt sich in Verbindung mit einer<br />

Umsetzung neuer zukünftiger Energiemanagement-Konzepte<br />

106

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.2<br />

Wichtiges Ziel um Kosten <strong>und</strong> Komplexität zu senken ist die Reduzierung<br />

der Steuergeräte, was mit einer Leistungssteigerung der Sofware einhergeht<br />

Trend: Komplexitätsbeherrschung durch<br />

Reduktion der Anzahl an Steuergeräten<br />

HEUTE:<br />

Hohe Komplexität durch Vielzahl von<br />

ECUs <strong>und</strong> unterschiedlichen Bus-Systemen<br />

Quelle: Bayern Innovativ, ADL Research<br />

MORGEN:<br />

Netzwerk aus 20 Steuergeräten<br />

mit 5-7 Hauptrechnern<br />

Erläuterungen<br />

� Der Stellenwert der Software ist<br />

rasch zunehmend<br />

� Software wird K<strong>und</strong>en zukünftig<br />

als eigenständiges Produkt<br />

verkauft<br />

� Anteil der Wertschöpfung wächst<br />

viermal schneller, als der der<br />

Elektronik<br />

� Ziel der Automobilzulieferer:<br />

Netzwerk mit 20 Steuergeräten,<br />

von denen 5-7 Hauptrechner die<br />

Funktionen zentral steuern<br />

� Um die Komplexität besser beherrschen<br />

zu können sind noch<br />

Standards zu definieren<br />

107

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.2<br />

Die Integration von <strong>Leistungselektronik</strong> in Systemkomponenten erweitert vor<br />

allem die Funktionalität hin zu intelligenten Sensoren <strong>und</strong> Aktuatoren<br />

Intelligente<br />

Sensoren<br />

Quelle: Bosch<br />

Telematic<br />

Info<br />

Position<br />

Kinetics<br />

Environment<br />

Internal<br />

Data<br />

Fusion,<br />

Consolidation<br />

Trend: Dezentralisierung von Intelligenz<br />

Vehicle-<br />

Functions<br />

Coordination<br />

Monitoring<br />

Therm.<br />

System<br />

Airbag System<br />

Brake<br />

System<br />

Steering<br />

System<br />

Engine<br />

Transmission<br />

Electric.<br />

System<br />

Intelligente<br />

Aktuatoren<br />

Erläuterungen<br />

� Durch das Zusammenspiel von intelligenter<br />

Sensorik <strong>und</strong> Aktuatorik kann der Fahrer<br />

jederzeit Fahrzeugdaten abrufen<br />

� Daneben kann das Fahrzeug autark<br />

Systemkorrekturen durchführen<br />

� Diese Systeme lassen sich nur mit dem<br />

Einsatz von entsprechender <strong>Leistungselektronik</strong><br />

realisieren. Vor allem dort wo sich<br />

die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer<br />

erhöhen soll, kommen Halbleiter zum<br />

Einsatz<br />

� Dies spiegelt sich auch in den hohen<br />

Absatzzahlen für die folgenden Jahre wider:<br />

– bis 2008 wird ein Umsatzvolumen von<br />

23,2 Mrd. $ erwartet (2003 waren es 13,7<br />

Mrd)<br />

108

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.2<br />

Durch den Einsatz von intelligenten Sensoren <strong>und</strong> leistungsstarken<br />

Halbleitern lässt sich eine Vielzahl von Analyse/Auswertefunktionen direkt in<br />

die Sensorik integrieren<br />

Intelligente<br />

Sensorik<br />

Sensor<br />

Signal-<br />

Conditioning<br />

Quelle: Bosch, ADL Research<br />

Trend: Einsatz von Domain-basierten System-Architekturen<br />

Inter Domain Bus<br />

Peripherals<br />

Zentrale<br />

Steuergeräte<br />

Bus Bus<br />

µC +<br />

Memory<br />

leistungsstarke<br />

Standardkomponenten<br />

Power<br />

Control<br />

speziell für den Automobilbereich entwickelte Halbleiter<br />

Peripherals<br />

Intelligente<br />

Aktuatorik<br />

Actuator<br />

Erläuterungen<br />

� Die zukünftige Systemarchitektur<br />

basiert im<br />

Wesentlichen auf den<br />

Einsatz von intelligenten<br />

Sensoren <strong>und</strong> Aktoren<br />

� Diagnose, Überwachung,<br />

Datenauswertung <strong>und</strong><br />

Signalvorverarbeitung<br />

werden vom zentralen<br />

Steuergerät weg, hin zur<br />

eigentlichen Sensorik<br />

verlagert<br />

� Diese erlaubt dann auch<br />

eine Kommunikation von<br />

Sensor zu Sensor über das<br />

Bussystem<br />

109

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.3<br />

MOST <strong>und</strong> FlexRay werden durch den steigenden Einsatz von Multimedia<strong>und</strong><br />

by-Wire-Lösungen in den kommenden Jahren die meist verwendeten<br />

Bussysteme sein<br />

High Speed<br />

Multimedia<br />

High Speed<br />

and Safety<br />

Low Speed<br />

Smart Sensor<br />

General<br />

Purpose<br />

Basic CAN<br />

Quelle: Delphi<br />

Trend: In-Vehicle Network Architecture 2010<br />

MOST<br />

D2B Optical D2B<br />

SMARTwireX<br />

ByteFlight<br />

Low SpeedCAN<br />

Firewire<br />

1990 1995 2000 2005 2010<br />

TTP<br />

Flexray<br />

LIN<br />

High Speed<br />

CAN<br />

Erläuterungen<br />

� Durch das verstärkte aufkommen von<br />

Infotainment/Multimedia-Lösungen findet das<br />

Bussystem MOST (Media Orientated Systems<br />

Transport) immer häufiger Einsatz<br />

� FlexRay ist ein herstellerübergreifendes<br />

Bussystem für Highspeed-Anwendungen. Die<br />

FlexRay-Entwicklung erfolgt gemeinschaftlich<br />

durch BMW <strong>und</strong> DaimlerChrysler in Kooperation<br />

mit Halbleiterherstellern<br />

Protokoll Datenrate<br />

LIN 20 kBit/s<br />

CAN 1 MBit/s<br />

FlexRay 3-10 Mbit/s<br />

MOST 1 25 Mbit/s<br />

MOST 2 150 Mbit/s<br />

110

Bordnetze – Zukünftige System-Architekturen 7.3<br />

Mit Hilfe des Buskommunikationsprotokolls FlexRay können auch<br />

sicherheitsrelevante Anwendungen elektronisch gesteuert werden<br />

Quelle: FHT Esslingen<br />

Steer-by-Wire Erläuterungen<br />

� Schon 2008 wird ein Anstieg der Datenrate<br />

auf ca.1,5 Mbit/s im Kfz erwartet. Daher wird<br />

vor allem FlexRay mit einer Netzdatenrate<br />

von 5Mbit/sec in Zukunft mehr an Bedeutung<br />

zugemessen werden<br />

� Flex-Ray ermöglicht durch ein besseres<br />

Packaging neue Funktionen, wie z.B. das<br />

Convoy-Fahren<br />

� Steer-by-Wire wird durch FlexRay mit einer<br />

einfachen Kommunikationsstruktur unterstützt<br />

� Alle Sensoren, Aktoren <strong>und</strong> Steuergeräte sind<br />

red<strong>und</strong>ant ausgelegt -> Erhöhung der<br />

Verfügbarkeit<br />

111

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

112

Agenda<br />

8<br />

8.1<br />

8.2<br />

8.3<br />

8.4<br />

Fahrdynamik<br />

Aktivlenkung<br />

Fahrwerksregelung<br />

Fahrerassistenzsysteme<br />

Ausblick<br />

113

Fahrdynamik – Aktivlenkung 8.1<br />

Durch das elektrisch unterstütze Lenkübersetzungssystem wird sowohl der<br />

Komfort, als auch die Sicherheit während der Fahrt gesteigert<br />

Quelle: BMW<br />

Aktivlenkung Erläuterungen<br />

� Die Gr<strong>und</strong>struktur der Aktivlenkung besteht<br />

aus<br />

– einer modifizierten<br />

Zahnstangenlenkung,<br />

– einem Doppelplanetengetriebe <strong>und</strong><br />

einem<br />

– EC-Motor<br />

� Bei diesem Konzept wird die<br />

servounterstützte Lenkung um ein<br />

Überlagerungsgetriebe unterstützt.<br />

� Der EC-Motor bildet das Herzstück der<br />

Aktivlenkung, der je nach Geschwindigkeit<br />

für einen angepassten Lenk- bzw.<br />

Radeinschlag sorgt<br />

114

Fahrdynamik – Aktivlenkung 8.1<br />

Das EC-Motor-unterstützte System sorgt während der Fahrt für eine optimale<br />

Lenkübersetzung<br />

EC-Motoren für den Einsatz in Fahrzeugen Erläuterungen<br />

Quelle: BMW, ebm-papst<br />

� EC-Motoren ermöglichen es, hydraulische<br />

Systeme, bei denen eine hohe<br />

Energieeffizienz, Langlebigkeit,<br />

Geräuscharmut <strong>und</strong> Komfort gefragt ist<br />

adäquat zu ersetzten.<br />

� Bei der Aktivlenkung stand dabei die<br />

Forderung der Lenkpräzision <strong>und</strong> das direkte<br />

Lenken zu verfeinern im Vordergr<strong>und</strong><br />

� Der EC-Motor generiert in jeder Fahrsituation,<br />

unter wechselnden Belastungen <strong>und</strong> bei<br />

extremen Temperaturschwankungen (-40°C<br />

bis 125 °C) die optimale Lenkübersetzung.<br />

� Mit einer geforderten Lebensdauer von 15<br />

000 h, muss der Motor ein ganzes<br />

Fahrzeugleben lang fehlerfrei funktionieren<br />

115

Fahrdynamik – Aktivlenkung 8.1<br />

Gier- <strong>und</strong> Querbeschleunigungssensorik bilden die Basis für die genaue<br />

Ermittlung der Fahrreaktionen des Kraftfahrzeugs<br />

Quelle: FHT Esslingen<br />

Steuergerät der Aktivlenkung Erläuterungen<br />

� Je nach Geschwindigkeit reichen bereits<br />

geringe Lenkbewegungen aus, um einen<br />

großen Lenkradius zu erzielen <strong>und</strong><br />

umgekehrt<br />

� Gier- <strong>und</strong> Querbeschleunigungssensoren<br />

ermitteln die Fahrreaktion des Wagens <strong>und</strong><br />

hieraus werden stabilisierende Lenkeingriffe<br />

abgeleitet<br />

� Bei Ausfall des elektrischen Systems, kann<br />

auf komplettes hydraulisches System<br />

umgeschaltet werden.<br />

116

Fahrdynamik – Aktivlenkung 8.1<br />

Mit dem BMW 3-er Serie erschließt die Aktivlenkung nun auch das<br />

Mittelklassesegment – eine Vorstufe zum vollkommen elektronischen<br />

Lenksystem Steer-by-Wire<br />

Quelle: BMW<br />

Aktivlenkungen im Einsatz Erläuterungen<br />

� Aktuelle Anwendung finden die Systeme im<br />

BMW 5-er <strong>und</strong> 6-er Serie<br />

� Auch in der neuen 3-er Serie wurde das<br />

System übernommen<br />

� Ein unabhängiges Steer-by-Wire System wird<br />

nur stufenweise eingeführt werden; d.h. es<br />

wird unabhängig von der Zuverlässigkeit ein<br />

parallel betriebenes mechanisches System<br />

geben, das bei Ausfall der Elektronik zum<br />

Einsatz kommt<br />

117

Agenda<br />

8<br />

8.1<br />

8.2<br />

8.3<br />

8.4<br />

Fahrdynamik<br />

Aktivlenkung<br />

Fahrwerksregelung<br />

Fahrerassistenzsysteme<br />

Ausblick<br />

118

Fahrdynamik – Fahrwerksregelung 8.2<br />

Das IDS + -System ermöglicht Opel den Übergang vom mechanischhydraulischen<br />

zu einem mechatronischem Fahrwerk<br />

Quelle: Opel<br />

Opel Astra mit IDS + -System Erläuterungen<br />

� IDS + -Fahrwerkssystem mit elektronischen<br />

Dämpfungssystem CDC beim OPEL Astra<br />

� Das IDS+ - System umfasst eine Vernetzung<br />

der Sensoren <strong>und</strong> Steuergeräte aller<br />

fahrdynamischen Systeme<br />

� Dadurch lässt sich ein optimiertes<br />

Fahrverhalten erreichen<br />

� Bsp.: Bei kurvigen Strecken harte Dämpfung,<br />

bei langen Geraden weiche Dämpfung<br />

� Jaguar bietet mit CATS (Computer Active<br />

Technology Suspension) eine ähnlich<br />

elektronisch gesteuerte Fahrwerksregelung<br />

am <strong>Markt</strong> an<br />

119

Fahrdynamik – Fahrwerksregelung 8.2<br />

Weitere elektronisch gesteuerten Fahrwerksregelungen werden von Fludicon<br />

<strong>und</strong> Volvo entwickelt<br />

Elektro-Rheologischer Fluid (ERF) Volvo Four C<br />

� Der ERF verändert sich unter elektrischer Spannung<br />

stufenlos <strong>und</strong> reversibel von flüssig bis fest<br />

� Er ermöglicht extrem kurze Schaltzeiten <strong>und</strong><br />

Verschleißfreiheit von Ventilen<br />

Quelle: Fludicon<br />

� Four C (Continously Controlled Chassis Concept):<br />

Stoßdämpfer mit integrierten Magnetventilen, deren<br />

Öffnungs- <strong>und</strong> Schließimpulse von einem zentralen<br />

Steuermodul (SUM, Suspension Module) koordiniert<br />

werden<br />

Quelle: Volvo<br />

120

Agenda<br />

8<br />

8.1<br />

8.2<br />

8.3<br />

8.4<br />

Fahrdynamik<br />

Aktivlenkung<br />

Fahrwerksregelung<br />

Fahrerassistenzsysteme<br />

Ausblick<br />

121

Fahrdynamik – Fahrerassistenzsysteme 8.3<br />

Einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Fahrdynamik leistet der von<br />

Bosch entwickelte ACC (Active Cruise Control)-Radarsensor<br />

Quelle: Bosch<br />

Radarsensor Erläuterungen<br />

� Der 77 GHz Radarsensor bestimmt die Abstände<br />

zum vorausfahrenden Fahrzeug <strong>und</strong> kann somit<br />

Relativgeschwindigkeit <strong>und</strong> Querposition zum<br />

eigenen Fahrzeug permanent berechnen<br />

� Mit Hilfe der Sensorinformationen kann daraus der<br />

eigene Spurverlauf exakt bestimmt werden<br />

� Die energieaufwändigen Fahrereingriffe,<br />

beispielsweise bei Kolonnenfahrten können minimiert<br />

werden<br />

� Kommende Systeme ermöglichen die<br />

Abstandsregelung bis zum Stillstand<br />

� Es können bereits auf K<strong>und</strong>enwunsch Lösungen<br />

umgesetzt werden, die das selbständige Anfahren<br />

<strong>und</strong> Bremsen ermöglichen<br />

� Um die Nahbereichsmessung technisch realisieren zu<br />

können, werden die ACC-Sensoren zusätzlich durch<br />

24-GHz-Radarsensoren ergänzt<br />

122

Fahrdynamik – Fahrerassistenzsysteme 8.3<br />

Die infrarotbasierte ACC-Lösung von Conti-Temic ist vor allem für das<br />

Mittelklassewagensegment sehr lukrativ<br />

Infrarot<br />

� Nachtsichtbereich<br />

≤ 150 m<br />

� horizontaler<br />

Öffnungswinkel: ±<br />

10 °<br />

Quelle: Bosch<br />

Ultraschall<br />

� Ultranahbereich ≤ 3m<br />

� horizontaler<br />

Öffnungswinkel ± 60°<br />

Fahrerassistenzsysteme im Automobil<br />

77 GHz Long Range Radar<br />

Video<br />

� Fernbereich ≥ 150 m<br />

� horizontaler Öffnungswinkel: ± 8°<br />

� Heckbereich<br />

� horizontaler<br />

Öffnungswinkel ± 60°<br />

Video<br />

� Mittelbereich ≤ 80 m<br />

� horizontaler<br />

Öffnungswinkel: ± 22°<br />

Erläuterungen<br />

� Die infrarotbasierte Lösung ist preisgünstiger<br />

als radarbasierte ACC-Lösungen,<br />

daher findet sie Einsatz im Klein- <strong>und</strong><br />

Kompaktklassewagensegment<br />

� In den kommenden Jahren werden vor allem<br />

die Entwicklungen von<br />

Fahrerassistenzsystemen zur Steigerung der<br />

Sicherheit an Bedeutung gewinnen<br />

� Die derzeit gängigen Systeme sind:<br />

– Infrarotsysteme<br />

– Videosysteme<br />

– Ultraschallsensoren (Reichweite 2,5 m)<br />

– Fernbereichsradar 77 GHz (Reichweite<br />

bis 150 m)<br />

– Nahbereichssensoren 24 GHz<br />

(Reichweite bis 5 m)<br />

123

Fahrdynamik – Fahrerassistenzsysteme 8.3<br />

Der Dachknoten entwickelt sich zur zentralen Signalverarbeitungseinheit für<br />

Fahrerassistenzsysteme<br />

Trend: Weiterentwicklung des Dachknotens zur<br />

zentralen Steuer- <strong>und</strong> Signalverarbeitungseinheit<br />

Quelle: Hella<br />

Sonnendach<br />

Klimakontrolle blendfreier Innenspiegel<br />

Erläuterungen<br />

� Der Dachknoten wird zunehmend zur zentralen Einheit für<br />

die Steuerung von Sicherheits- <strong>und</strong> Komfortfunktionen:<br />

� Dazu gehören neben der Licht-Sensorik eine Vielzahl<br />

weiterer Funktionen:<br />

- Ansteuerung des automatisch abblendenden<br />

Innenspiegels<br />

- Memory-Funktion ermöglicht die Speicherung von<br />

individuellen Anforderungen<br />

- Ansteuerung für Schiebe- <strong>und</strong> Hubdach mit<br />

Einklemmschutz<br />

- Erfassen der Innenraumtemperatur mit Hilfe eines<br />

belüfteten Sensors<br />

-Weiterleitung der Informationen an die<br />

Klimaautomatik<br />

- Automatische Wischerbetätigung mit Hilfe eines<br />

Regensensors<br />

� Zukünftig wird diese Einheit durch Sensorik <strong>und</strong><br />

Signalverarbeitung der im Fahrzeug zunehmenden<br />

Fahrerassistenzsysteme erweitert werden (ACC-Unit,<br />

Kameras <strong>und</strong> weitere Sensorik)<br />

124

Fahrdynamik – Fahrerassistenzsysteme 8.3<br />

Kombinierte Systeme aus Kameras, Sensoren <strong>und</strong> Radarsystemen werden<br />

zur vorausschauenden Fahrweise einen entscheidenden Beitrag leisten<br />

Warnung bei<br />

Verlassen<br />

der Spur<br />

Überprüfung<br />

Insassenposition<br />

Toter Winkel<br />

Objekterkennung<br />

für Precrash <strong>und</strong><br />

Fußgängerschutz<br />

Wachsamkeit<br />

des Fahrers<br />

Precrash<br />

Nachtsichtsystem<br />

ACC<br />

Stop&Go<br />

Quelle: Bosch, Siemens VDO, Bayern Innovativ<br />

Entwicklung Fahrerassistenzsystem<br />

Spurwechselassistent<br />

Kolisionswarnung<br />

<strong>und</strong> -vermeidung<br />

Spurhalteassistent<br />

Kombinierte<br />

Systeme<br />

Innenkamera<br />

Außenkamera<br />

Radar<br />

2003 2015<br />

Erläuterungen<br />

� Der <strong>Markt</strong> für Fahrerassistenzsysteme wird<br />

von heute 2,9 Mrd. Euro auf 11,6 Mrd. Euro<br />

im Jahr 2010 anwachsen. 2015 wird eine<br />

Sättigung mit 15 Mrd. Euro erreicht werden.<br />

� Die Systeme Fernbereichsradar,<br />

Nahbereichsradar <strong>und</strong> die Kamerasysteme<br />

werden in Zukunft stärker miteinander<br />

kombiniert werden.<br />

� Ab 2011 werden Systeme erwartet, die<br />

automatisch Kollisionswarnungen an den<br />

Fahrer weitergeben <strong>und</strong> eigenständig<br />

Gegenmaßnahmen einleiten<br />

125

Agenda<br />

8<br />

8.1<br />

8.2<br />

8.3<br />

8.4<br />

Fahrdynamik<br />

Aktivlenkung<br />

Fahrwerksregelung<br />

Fahrerassistenzsysteme<br />

Ausblick<br />

126

Fahrdynamik – Ausblick 8.4<br />

Erste Drive-by-Wire Lösungen, die K<strong>und</strong>enakzeptanz erreichen, werden<br />

voraussichtlich ab 2012 den <strong>Markt</strong> erobern<br />

Quelle: DaimlerChrysler<br />

Drive-by-Wire-Lösung Erläuterungen<br />

� Autohersteller betreiben einen hohen<br />

Entwicklungsaufwand, um die praktischen Probleme,<br />

die beispielsweise bei Steer-by-Wire Lösungen<br />

bestehen, zu überwinden<br />

� Mit seinen Fehlertoleranz- oder Fail-Safe-Modi ist<br />

Flex-Ray der Schlüssel zur Entwicklung von fehlerfrei<br />

funktionierenden By-Wire Lösungen<br />

� Erste Prototypen werden bereits getestet <strong>und</strong> 2006 in<br />

den <strong>Markt</strong> kommen.<br />

� Um By-Wire Lösungen in der Praxis testen zu<br />

können, werden zuerst, wie aktuell bei den neuen<br />

Lenksystemen der Fall, mechanische Steuerungen<br />

parallel hinzugefügt werden. Diese greifen dann, falls<br />

die Elektronik ausfällt<br />

127

Fahrdynamik – Ausblick 8.4<br />

Die SL-Klasse von DaimlerChrysler als rollendes Forschungsmobil für<br />

Drive-by-Wire Lösungen<br />

Quelle: DaimlerChrysler<br />

SL-Klasse Erläuterungen<br />

� Lenkrad <strong>und</strong> Pedale werden im Testfahrzeugvon<br />

DaimlerChrysler nicht mehr benötigt<br />

� Das Lenken, Bremsen <strong>und</strong> Gasgeben geschieht über<br />

einen Slide-Stick, mit dem eine exakte Manövrierung<br />

erfolgen kann<br />

� Dies geschieht über einen Bordcomputer, der die<br />

Befehle des Autofahrer stets so auswertet, damit<br />

auch kritische Situationen überwindet werden können<br />

128

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

129

Agenda<br />

9<br />

9.1<br />

9.2<br />

Komfort<br />

Sitzsysteme<br />

Fahrzeugklimatisierung<br />

130

Komfort – Sitzsysteme 9.1<br />

Zukünftige Sitzfunktionen <strong>und</strong> Sitzgestaltungen im Automobil werden<br />

vermehrt von Individuallösungen geprägt sein<br />

Psychologie<br />

Sitzklimatisierung<br />

Quelle: ContiTemic<br />

Sitzfunktionen Erläuterungen<br />

Ford Focus FCV<br />

Ergonomie<br />

orthopädische Gesichtspunkte<br />

Industrie-<br />

Standards<br />

Vibrationsbeeinflussung<br />

� Neben der Sitzfunktionalität stehen vor allem<br />

Komfortfunktionen <strong>und</strong> Designwünsche immer mehr<br />

im Mittelpunkt<br />

� Bei der Entwicklung von Sitzsystemen fließen<br />

mehrere Faktoren mit ein:<br />

– Ergonomie<br />

– Sitzklimatisierung<br />

– orthopädische Gesichtspunkte<br />

– Verringerung von Vibrationen<br />

– Industrie-Standards<br />

– optische Wirkung<br />

131

Komfort – Sitzsysteme 9.1<br />

Das Occupant Classification System (OCS) von Siemens VDO ermöglicht<br />

eine situationsgerechte Sitzeinstellung<br />

Quelle: ContiTemic, Bosch, BMW<br />

Intelligente Sitzplätze Erläuterungen<br />

� Basierend auf einer im Sitz integrierten<br />

Sensormatte wird die Druckverteilung auf<br />

dem Sitz registriert<br />

� Mit Hilfe der Software werden die Daten<br />

analysiert <strong>und</strong> die daraus abgeleiteten<br />

Befehle an die Steuereinheit weitergegeben<br />

� Je nach Passagier, ob Kind oder<br />

Erwachsener kann das Rückhaltesystem des<br />

Sitzes optimal <strong>und</strong> situationsgerecht<br />

angepasst werden<br />

132

Komfort – Sitzsysteme 9.1<br />

Die Multikonturlehne von ContiTemic stellt dem Fahrer <strong>und</strong> Beifahrer<br />

optimale Einstellkonzepte zur Verfügung<br />

Quelle: Conti Temic<br />

Multikonturlehne Erläuterungen<br />

� Mit der Multikonturlehne kommt ContiTemic dem<br />

Wunsch nach Individualeinstellungen nach<br />

� Bis zu 7 unabhängig voneinander aktivierbare<br />

Luftkissen schmiegen sich an den Körper <strong>und</strong><br />

registrieren somit die optimale Passform des Sitzes<br />

für den Passagier<br />

� Nach Registrierung der optimalen Sitzposition kann<br />

diese individuell mit Hilfe einer Memory-Funktion<br />

abgespeichert werden <strong>und</strong> nach belieben abgerufen<br />

werden<br />

� Um den Einsatz von Motoren gering zu halten,<br />

werden diese durch pneumatische Aktoren<br />

ersetzt/ergänzt werden<br />

� Eine weitere Entwicklungsvariante ist der Aufbau<br />

einer zentralen Druckeinheit, über die der Druck über<br />

Druckminderer verteilt werden kann<br />

133

Komfort – Sitzsysteme 9.1<br />

Bereits 13 Elektromotoren in Verbindung mit Sitzverstellung, Sitzheizung<br />

<strong>und</strong> Sitzkühlung müssen beim BMW 7-er Serie durch <strong>Leistungselektronik</strong><br />

gesteuert werden<br />

Quelle: ContiTemic, Bosch, BMW<br />

Der fahrdynamische Sitz Erläuterungen<br />

� Generell werden in Zukunft höhere Anforderungen an<br />

Federung <strong>und</strong> Komfort gestellt werden<br />

� Vor allem im Mittelklassewagensegment wird in den<br />

kommenden Jahren ein Anstieg an<br />

Sitzkomfortfunktionen zu verzeichnen sein<br />

� Künftige Weiterentwicklungen finden u.a. auf<br />

folgenden Gebieten statt:<br />

– Massagefunktionen<br />

– verbesserter Seitenhalt in der Kurvenfahrt<br />

– ergonomische Entlastung der Rückenmuskulatur<br />

134

Komfort – Sitzsysteme 9.1<br />

Die starke Zunahme an Sitzfunktionen erfordert eine immer komplexere<br />

Steuerelektronik<br />

Quelle: VW, AGR<br />

Sitzsystem des Phaeton von VW Erläuterungen<br />

� Mit einem elektrischen 12-Wege-System werden<br />

sowohl die Längs-, Höhen- <strong>und</strong> Neigungsparameter<br />

körpergerecht anpasst<br />

� Die erweiterte Funktion des Phaeton ist ein 18-Wege-<br />

System, wo zusätzlich der Lehnenkopf, die<br />

Kopfstütze <strong>und</strong> die Sitzflächenlänge verstellt werden<br />

können<br />

� Klimafunktion <strong>und</strong> Massagefunktion ergänzen das<br />

Funktionsportfolio<br />

� Mit einem 10-Wege-System für die Hintersitze war<br />

Volkswagen der erste Fahrzeughersteller, mit<br />

elektrisch verstellbaren Sitzen im Fondbereich<br />

135

Agenda<br />

9<br />

9.1<br />

9.2<br />

Komfort<br />

Sitzsysteme<br />

Fahrzeugklimatisierung<br />

136

Komfort – Fahrzeugklimatisierung 9.2<br />

PTC-Zuheizer sorgen beim Mercedes SLK sofort nach Einschalten des<br />

Motors für eine Erwärmung des Innenraums<br />

Quelle: DaimlerChrysler<br />

PTC-Zuheizer Erläuterungen<br />

� PTC-Zuheizer erwärmen den Fahrzeuginnenraum<br />

sofort nach Einschalten des Motors, bsp.: PTC-<br />

Zuheizer für Nackenheizung im neuen Mercedes SLK<br />

(Air-Scarf)<br />

� 95% der elektrischen Energie werden an den<br />

Luftstrom zum Fahrzeuginneren abgegeben<br />

� Der Luftstrom der hinteren Sitzreihe des BMW 520d<br />

kann heute schon separat zur Fahrzeugheizung<br />

durch eine elektronische Zuheizung gesteuert werden<br />

� Die <strong>Leistungselektronik</strong> steuert mit<br />

Halbleiterschaltungen die Heizzeiten der PTC-<br />

Elemente; typische Werte für die Leistungsaufnahme<br />

von PTC-Zuheizern sind ca. 1000 W<br />

� Eine Überlastung des Bordnetzes wird durch eine<br />

intelligente Schaltung der PTC-Elemente umgangen<br />

� Mit verbessertem Motorwirkungsgrad werden<br />

zunehmend mehr Zuheizer erforderlich<br />

137

Komfort – Fahrzeugklimatisierung 9.2<br />

Die 4-Zonen-Klimatisierung von Behr ermöglicht es auf Basis einer intelligenten<br />

Steuerung ein umfassendes Management des Raumklimas<br />

durchzuführen<br />

Quelle: Behr AG, Catem<br />

4-Zonen-Klimatisierung Erläuterungen<br />

� Einsatz eines Vier-Quadranten-Solarsensors zur<br />

automatischen Nachregelung der Temperatur bei direkter<br />

Sonneneinstrahlung<br />

� Das Feuchte-Management verhindert Scheibenbeschlag<br />

<strong>und</strong> hebt gleichzeitig bei zu trockener Kabinenluft die<br />

Luftfeuchtigkeit an<br />

� Ein Luftgütesystem mit einem Partikel- <strong>und</strong> zwei<br />

Aktivkohlefiltern, einem Schadgassensor <strong>und</strong> einer<br />

automatischen Umluftschaltung ermöglicht die Reinigung<br />

der Kabinenluft<br />

� Zusätzliche, großflächige Luftdüse zur zugfreien Belüftung<br />

des Kopfraums manuell links/rechts getrennt absenkbare<br />

Temperatur des Mitteldüsen-Luftstroms<br />

� Die komplette Steuerung der 4-Zonen-Klimatisierungist mit<br />

einem Steuergerät möglich<br />

� PTC-Luftheizer mit integrierter <strong>Leistungselektronik</strong>ermöglichen<br />

auch im Kaltzustand des Motors eine<br />

unverzügliche Versorgung des Fondsbereichs mit<br />

Warmluft<br />

138

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

139

Getriebe - <strong>Markt</strong>entwicklung 10<br />

Doppelkupplungs- <strong>und</strong> Automatisierte-Schalt-Getriebe werden signifikante<br />

<strong>Markt</strong>anteile erreichen (1)<br />

AT<br />

15%<br />

CVT<br />

1%<br />

<strong>Markt</strong>anteile Getriebe in Europa<br />

(Pkw, LCV

Getriebe - <strong>Markt</strong>entwicklung<br />

Doppelkupplungs- <strong>und</strong> Automatisierte-Schalt-Getriebe werden signifikante<br />

<strong>Markt</strong>anteile erreichen (2)<br />

<strong>Markt</strong>anteile [%] Getriebe in Europa (Pkw, LCV

Agenda<br />

10<br />

Getriebe<br />

10.1<br />

10.2<br />

Automatisiertes Schaltgetriebe<br />

Doppelkupplungsgetriebe<br />

142

Getriebe – Automatisiertes Schaltgetriebe 10.1<br />

Automatisierte Schaltgetriebe (ASG) in Verbindung mit Elektronischen<br />

Kupplungssystemen tragen erheblich zur Kraftstoffeinsparung bei <strong>und</strong> sind<br />

wesentlich kostengünstiger als Automatikgetriebe<br />

Automatisiertes Schaltgetriebe Erläuterungen<br />

Elektronisches<br />

Kupplungsmanagement von LUK<br />

Automatisiertes Schaltgetriebe<br />

von ZF<br />

Quelle:Siemens VDO, ZF Sachs, LUK<br />

Antriebsmotoren für ASG <strong>und</strong> EKS<br />

von Siemens VDO<br />

� Zur Durchführung der Stellbewegungen beim<br />

automatisierten Kuppeln <strong>und</strong> Schalten werden<br />

elektromotorische Aktuatoren eingesetzt<br />

� Die eingesetzten EC-Motoren von Siemens VDO arbeiten<br />

in einem Leistungsbereich zwischen 50 <strong>und</strong> 250 Watt<br />

� Das Elektronische Kupplungsmanagement macht ein<br />

Schalten ohne Kupplungspedal möglich<br />

� Weitere Vorteile gegenüber dem Automatikgetriebe<br />

ergeben sich aus den niedrigeren Kosten, dem niedrigeren<br />

Gewicht <strong>und</strong> dem kleinen Bauraum<br />

� Daher werden die automatisierten Schaltgetriebe in den<br />

nächsten Jahren in Europa verstärkt an Bedeutung<br />

gewinnen<br />

143

Getriebe – Automatisiertes Schaltgetriebe 10.1<br />

Das automatisierte Schaltgetriebe im Smart forfour kann sowohl im<br />

Automatikmodus, als auch per Handschaltung bedient werden<br />

Automatisiertes Schaltgetriebe im<br />

Smart forfour<br />

Quelle: DaimlerChrysler<br />

Automatisiertes 6-Gang Schaltgetriebe des Smart forfour<br />

Erläuterungen<br />

� Im Modus Handschaltung genügt es den Ganghebel nach<br />

vorne oder hinten zu bewegen<br />

� Die eingesetzte Steuerungselektronik erkennt den<br />

Schaltwunsch des Fahrers <strong>und</strong> aktiviert die Kupplung über<br />

die Stellmotoren<br />

� Die Kombination aus leistungsfähiger Bordelektronik <strong>und</strong><br />

Elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP) erlaubten es<br />

das Getriebe mit der Kriechfunktion auszustatten<br />

� Hauptauschlaggebend für den Vorzug gegenüber dem<br />

Automatikgetriebe waren das geringe Gewicht (beim 1,5<br />

Liter Ottomotor ca. 36 Kilogramm <strong>und</strong> beim<br />

Dieselaggregat ca. 41 kg). Automatikgetriebe hätten das<br />

doppelte Gewicht<br />

� Kraftstoffeinsparungen pro 100 km von ca. 1 Liter<br />

144

Agenda<br />

10<br />

Getriebe<br />

10.1<br />

10.2<br />

Automatisiertes Schaltgetriebe<br />

Doppelkupplungsgetriebe<br />

145

Getriebe – Doppelkupplungsgetriebe 10.2<br />

Die Nachfrage für Hochtemperaturelektronik bei Getriebesteuerungen steigt<br />

in der Automobilindustrie weiter an<br />

Doppelkupplungsgetriebe <strong>und</strong> Steuereinheit Erläuterungen<br />

Quelle: Continental / VW<br />

� Das Doppelkupplungsgetriebe im neuen VW Passat<br />

arbeitet mit zwei Kupplungen. Öffnet die erste<br />

Kupplung beim Hochschalten, schließt die zweite für<br />

den nächst höheren Gang - die Beschleunigung läuft<br />

ohne "Loch"<br />

� Ein mechatronisches Steuer-Modul übernimmt die<br />

Koordination <strong>und</strong> Ansteuerung<br />

� Der Einbau von Steuerungsmodulen mit <strong>Leistungselektronik</strong>komponenten<br />

erfolgt direkt in das Getriebe<br />

� Die technischen Kenndaten für das von Conti Temic<br />

in Hybridtechnologie entwickelte Steuergerät sind:<br />

– Temperaturbereich - 40°C bis + 145°C<br />

– Beschleunigung: 20 g<br />

– Das Steuerungsmodul beinhaltet u.a.<br />

4 Drehzahlsensoren, Wegsensoren, 2 Drucksensoren,<br />

einen Temperatursensor <strong>und</strong> 11<br />

teilintegrierte Aktoren<br />

146

Getriebe – Doppelkupplungsgetriebe 10.2<br />

Das Doppelkupplungsgetriebe hat gute Chancen in vielen Bereichen<br />

Automatikgetriebe zu ersetzen<br />

Steuergerät für Kupplungsgetriebe Erläuterungen<br />

VW Passat 2.0 TDI PT<br />

Vorortsteuergerät von ContiTemic<br />

Quelle: ContiTemic, ADL Research<br />

� Die dabei verwendete elektronische<br />

Steuerung ermöglicht eine<br />

Schaltgeschwindigkeit von 0,2 Sek<strong>und</strong>en<br />

� Das Doppelkupplungsgetriebe DSG vereint<br />

perfekt die Beschleunigungs- <strong>und</strong><br />

Verbrauchseigenschaften eines<br />

Handschaltgetriebes mit dem Komfort eines<br />

Automatikgetriebes<br />

� In Österreich ist bereits jeder zehnte<br />

verkaufte Golf V <strong>und</strong> jeder vierte verkaufte<br />

Touran mit dem Doppelkupplungsgetriebe<br />

DSG ausgestattet. Mit dem neuen Passat<br />

kommt nun ein weiteres Fahrzeugsegment<br />

hinzu<br />

147

Agenda<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

A<br />

Studieninhalt<br />

<strong>Markt</strong>übersicht <strong>Leistungselektronik</strong><br />

Trends in der Automobilelektronik<br />

Motor- & Nebenaggregate<br />

Alternative Antriebe<br />

Energiemanagement<br />

Bordnetze<br />

Fahrdynamik<br />

Komfort<br />

Getriebe<br />

Anhang<br />

148

Agenda<br />

A<br />

A.1<br />

A.2<br />

Anhang<br />

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong><br />

Behandelte Fragen<br />

149

Kurzvorstellung <strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong><br />

Ihre Gesprächspartner bringen sowohl industrie-spezifische als auch<br />

funktionale Erfahrungen mit<br />

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> GmbH<br />

� Gegründet 1886<br />

� <strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> bietet ein durchgehendes<br />

Beratungsangebot von der Strategieentwicklung<br />

bis zur Maßnahmenumsetzung<br />

� Unsere Teams arbeiten in jeder Projektphase<br />

pragmatisch <strong>und</strong> klientenorientiert. Dabei ist es<br />

von Vorteil, dass unsere Berater über ein ausgeprägtes<br />

Branchen- <strong>und</strong> Technologieverständnis<br />

verfügen<br />

� Wir beraten u.a. Klienten aus dem Automotive-<br />

Sektor (OEM, Zulieferer) <strong>und</strong> der TIME-Industrie<br />

(Telecommunication, Information, Media,<br />

Electronics) sowie Firmen aus dem Maschinen<strong>und</strong><br />

Anlagenbau<br />

Business<br />

Portfolio<br />

Products/<br />

Services<br />

Value<br />

Chain<br />

Future<br />

Role<br />

CEO<br />

Agenda<br />

Organization<br />

Networks<br />

Technology<br />

A.1<br />

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> –<br />

Thoughtleader in Innovating<br />

Business and Mastering Complexity<br />

150

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> Qualifikationen im Umfeld E/E A.1<br />

Projekte von <strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> im Bereich Automotive Electronics <strong>und</strong> Software<br />

Beispiele<br />

1999 – ongoing<br />

2000<br />

2001<br />

2001 – 2003<br />

2003 -2004<br />

Unterstützung eines führenden deutschen OEMs beim Prozess-Redesign der E/E-<br />

Produktentwicklung, Logistik <strong>und</strong> Servicegeschäft. Umsetzung des Implementierungs-<br />

Managements der notwendigen IT-Systeme <strong>und</strong> Tools sowie Neustrukturierung der<br />

Organisation, zum sicheren <strong>und</strong> gefahrlosen Downloaden von Software in<br />

Fahrzeugen <strong>und</strong> der Effizienzsteigerung von Diagnosen<br />

Für einen der größten LKW-Hersteller, standen wir nach anfänglicher Definition der Lage<br />

mit Rat <strong>und</strong> Tat bei der Implementierung einer neuen Strategie <strong>und</strong> Organisation für die<br />

Entwicklung einer eingebauten Elektronik zur Seite, was auch die dazugehörigen<br />

Dienstleistungen, Technologien <strong>und</strong> Lieferant-/Partnerbeziehungen umfasste<br />

Wir führten einen Audit für das Projekt Management, die Software Architektur <strong>und</strong><br />

Technologien sowie für die Softwareentwicklungsprozesse eines führenden<br />

Telematic Lieferanten im Namen des OEM-K<strong>und</strong>en durch<br />

Wir haben bei der Entwicklung des innovativsten Personenkraftwagen im<br />

Rahmen des Projekt- <strong>und</strong> Lieferanten-Management für Telematik Systeme<br />

mitgewirkt, den der OEM in den letzten 2 Jahren auf den <strong>Markt</strong> brachte<br />

Wir haben unterstützend bei einen globalen Personenkraftwagen- <strong>und</strong> LKW-Hersteller<br />

mitgewirkt/, eine gemeinsame Electrik&Elektronik Plattform zu definieren <strong>und</strong><br />

umzusetzen, indem wir uns auf das Redesign der EE Entwicklungsprozesse, den<br />

Aufbau der Zielkostenprozesse <strong>und</strong> die Projektorganisation fokussierten<br />

151

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> Qualifikationen im Umfeld E/E A.1<br />

Projekte von <strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong> im Bereich Automotive Electronics <strong>und</strong> Software<br />

Beispiele<br />

Außenlicht-<br />

Funktionen<br />

Innenlicht-<br />

Funktionen<br />

Software<br />

Cost Reduction<br />

Methods<br />

Automation<br />

1 Implementation of integrated tool<br />

chains and automatic code generation<br />

2 Delocalization / Outsourcing<br />

3<br />

Funktionsstruktur<br />

Fernlicht<br />

Blinken<br />

Notlicht<br />

Automatikbetrieb<br />

Re-use/Standardization<br />

Building up group libraries of tested<br />

and re-usable functions/SW-objects<br />

Richtungsblinken<br />

links<br />

Warnblinken<br />

Aktivierung bei<br />

Tag-Nacht-Wechsel<br />

Deaktivierung bei<br />

Tag-Nacht-Wechsel<br />

2000<br />

2000<br />

2004/2005<br />

2005<br />

Klassische Produktstruktur<br />

...<br />

Außenlichtgehäuse<br />

Birnenfassung<br />

MRSM<br />

SAM_V<br />

TSG_VL<br />

TSG_VR<br />

2004<br />

Software<br />

Flashware<br />

Codierdaten<br />

Diagnosedaten<br />

Hardware<br />

Innenbeleuchtung<br />

TSG_HL<br />

manuelle Lichtfkt<br />

Mechanik-Komponente<br />

HU<br />

E/E-Komponente<br />

2004 - ongoing<br />

Strategieentwicklung für führende Hersteller der FPC´s: Wir unterstützten ein führendes<br />

deutsch-japanisches Joint-Venture für flexible <strong>und</strong> rigid-flexible PCBs bei der Neustrukturierung<br />

ihrer <strong>Markt</strong>- <strong>und</strong> Produktionsstrategie, um ihre K<strong>und</strong>en in der Telekommunikation<br />

<strong>und</strong> Automobil-Industrie besser bedienen zu können<br />

Strategie-Studie im Kontext von 42V-Power Distribution für einen Silikon-Hersteller: Wir<br />

bewerteten <strong>Markt</strong>trends (Chancen & Risiken), hatten Zugang zu eigenen Kompetenzen (Stärken<br />

& Schwächen verglichen mit denen der Wettbewerber) <strong>und</strong> entwickelten eine Strategie bzgl. der<br />

Entwicklung von Power Electronics für die Automobil-Branche ("Don´t go for 42V")<br />

Im Namen eines Automobil-OEM <strong>und</strong> eines Halbleiter-Herstellers, haben wir einen Audit<br />

für Strategie- <strong>und</strong> <strong>Markt</strong>-Aussichten einer Tochtergesellschaft durchgeführt, die im Bereich<br />

Software <strong>und</strong> Software Tool-Entwicklung für eingebaute Systeme bei Fahrzeugen<br />

tätig ist<br />

Wir entwickelten eine Strategie zur weiterem Kompetenzaufbau von Elektronik in der<br />

Maschinenbau-Sparte eines Lieferanten, der im Bereich der Automobil <strong>Leistungselektronik</strong><br />

tätig ist, mit Hilfe von Bewertungen der gängigen <strong>Markt</strong>trends <strong>und</strong> deren<br />

Chancen<br />

Für einen großen Tier 1, bewerteten wir die Chancen zur Effizienzsteigerung der<br />

Entwicklung von eingebauten Systemen mit Hilfe von Automation <strong>und</strong> Delokalisation<br />

von Softwareentwicklung bei eingebauten Systemen<br />

Für einen führenden OEM, führten wir ein Strukturwandel-Programm in großem Umfang durch, der<br />

Engineering, Produktion <strong>und</strong> After-Sales umfaßte, um den E/E-Engineering-, Change<br />

Management-, Konfigurations-Management- <strong>und</strong> Freigabeprozesse zu optimieren<br />

152

Agenda<br />

A<br />

A.1<br />

A.2<br />

Anhang<br />

<strong>Arthur</strong> D. <strong>Little</strong><br />

Behandelte Fragen<br />

153

Anhang – Behandelte Fragen A.2<br />

Mit welchen Fragen wurden die Teilnehmer der Studie konfrontiert ?<br />

Behandelte Fragen bei der Studie<br />

� Gravierende zukünftige Veränderungen in der Antriebstechnik <strong>und</strong> in den Sicherheits- <strong>und</strong> Komfortsystemen des<br />

Fahrzeugs zeichnen sich zu Gunsten des Einsatzes von <strong>Leistungselektronik</strong> ab. Welche Trends sehen Sie hier?<br />

� In welchen Segmenten der Automotive-Branche <strong>und</strong> in welchen Systemen, bzw. Subsystemen wird heute bereits<br />

<strong>Leistungselektronik</strong> eingesetzt?<br />

� Wo im Fahrzeug erfolgt derzeit der Einsatz von <strong>Leistungselektronik</strong> unter den Umgebungsbedingungen von hohen<br />

Temperaturen (>100°C) <strong>und</strong>/oder hohen Ampere (>100A)?<br />

� Wie bewerten Sie die folgenden 5 Entwicklungsrichtungen der <strong>Leistungselektronik</strong>?<br />

Miniaturisierung/<br />

Systemintegration<br />

Baugruppen/<br />

(System-Ebene)<br />

Elemente/<br />

(Komponenten-<br />

Ebene)<br />

� Wie entwickelt sich der Leistungsverbrauch im Kfz-Bordnetz zukünftig?<br />

� Welche Lösungen werden entwickelt um dem steigenden Leistungsverbrauch zu kompensieren oder<br />

entgegenzuwirken?<br />

� Welchen K<strong>und</strong>ennutzen <strong>und</strong> welche Differenzierungsmöglichkeiten zu Wettbewerbern bietet die<br />

<strong>Leistungselektronik</strong>, die bei Ihnen zum Einsatz kommt?<br />

� Wie gehen Sie bei der <strong>Markt</strong>einführung von <strong>Leistungselektronik</strong>-Systemen vor?<br />

Materialebene<br />

(Entwicklungsschwepunkte)<br />

Auszug<br />

Produktionstechnologie<br />

154

155

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